Композитные материалы. «Композиты России» создают силовые конструкции из композиционных материалов

Введение

В настоящее время в США и Европе проводятся экспериментальные расчётно-конструкторские и технологические работы, направленные на создание пешеходных мостов с преимущественным применением композитных стеклопластиковых и углепластиковых пултрузионных профилей . Высокие физико-механические характеристики стеклопластика, реализуемые в профилях, получаемых пултрузионным методом, позволили использовать эти изделия в качестве элементов мостовых конструкций, выделить эту область применения в индивидуальное направление . К основным преимуществам мостов из композитных пултрузионных профилей, по сравнению со стальными мостовыми конструкциями, следует отнести:

высокую коррозионную и химическую стойкость стеклопластика, возможность использования в условиях повышенной влажности, сезонных и суточных температурных перепадов, отсутствие коррозии стальных соединительных элементов, находящихся в контакте со стеклопластиком; - сопротивляемость ветровым нагрузкам;
акустическую прочность и устойчивость к землетрясениям;
возможность поставки в виде отдельно собранных, легко транспортируемых, заменяемых и наращиваемых модульных конструкций;
легковесность и возможность использования ручной сборки в труднодоступных для техники местах;
интегральное снижение монтажных расходов, массы опорных конструкций, снижение эксплуатационных расходов.

Кроме того, пространственно-ферменная конструкция пешеходного моста позволяет достаточно быстро и без существенных затрат установить крышу, защищающую пешеходов и саму конструкцию от воздействия атмосферных осадков.

Многолетний (в течение 40 лет) отечественный и зарубежный опыт разработки и эксплуатации композитов в составе силовых конструкций, в сочетании с новейшими высокопроизводительными (непрерывными) технологиями переработки материала в изделия (метод пултрузии и намотки), подтверждает правомочность постановки и решения задачи, направленной на проектирование и изготовление цельнокомпозитного пешеходного моста. Технологичность в переработке и относительно невысокая стоимость - основные критерии выбора.

Пултрузионная технология изготовления профилей для мостовых и строительных конструкций

Огромным потенциалом для поддержки и широкого внедрения предлагаемого направления обладает высокая, компьютерно-управляемая пултрузионная технология изготовления разнообразных силовых, в том числе мостовых длинномерных, профилей из одно- и двухосно-армированных и изотропно-армированных стеклопластиков. Схема установки показана на рис. 1.

Суть пултрузионного процесса заключается в том, что непрерывный стеклоровинг 1 или нетканая, нитепрошивная лента 2 с заранее рассчитанным расположением (согласно спектру прикладываемых и воспринимаемых нагрузок) стеклонитей в плоскости ленты протягивается через ванну 3 с термореактивным полимерным связующим, затем поступает через фолдеры 4 в обогреваемую формующую фильеру 5, отображающую геометрическую форму поперечного сечения изделия, в которой связующее за короткий промежуток времени отверждается не столько за счёт тепла извне, сколько за счёт тепла, выделяющегося в процессе реакции отверждения связующего, обеспечивающего равномерный прогрев пакета-заготовки в объёме. Последнее обстоятельство является определяющим при изготовлении толстостенных, более 5000 мм 2 , профилей из стеклопластика, обладающего низким значением теплопроводности. Не менее важны, как показывает опыт, текстильная форма и поверхностная обработка стеклонаполнителя. В целях обеспечения расчётных физико-механических характеристик при изготовлении пултрузионных изделий применяются ровинги различных номиналов на основе стекла Е, преимущественно высокого текса 4800-9600.

Использование прямых (активных) замасливателей для стеклонаполнителей диктуется требованиями обеспечения высокого качества конструкционного стеклопластика с хорошо организованной границей раздела «волокно - матрица», недоступной для проникновения влаги и других агрессивных сред.

Таблица 1
Свойства пултрузионных стеклопластиковых профилей производства НПП «АпАТэК-Дубна»

Показатель	Материал
Показатель	на основе ровинга РБН	сочетание ровинга РБН и ленты НПЛ
Плотность, кг/м 3	1910-2000	1910
Разрушающее напряжение при статическом изгибе поперёк волокон, МПа	500	360
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	800	500
Модуль упругости при растяжении. МПа	3600	2400
Разрушающее напряжение при сжатии вдоль оси, МПа	280	280
Ударная вязкость поперёк волокон, кДж/м 2	500	450
Стойкость к горению	Г-2

Обязательными требованиями к материалу мостовых-конструкций являются негорючесть и «вандалоустойчивость». Выполнение требований по стойкости к горению обеспечивается путём использования нанопорошков металлов с переменной валентностью и гидроксилсодержащих соединений. Особенно эффективно применение нанопорошков там, где необходимо достигнуть желаемого результата без изменения реологических характеристик связующего. Введение нанодобавки меди менее 1% приводит к повышению стойкости к горению.

Физико-механические характеристики и стойкость к воздействию пламени пултрузионных профилей из стеклопластика на основе стеклонаполнителей, пропитанных винилэфирной смолой, приведены в табл. 1.

Специалистами «АпАТэК» спроектировано и изготовлено более 25 мостовых конструкций с применением стеклопластика, среди них:

Пешеходный мост в районе платформы Чертаново. Дата сдачи в эксплуатацию - октябрь 2004 г. Длина пролёта 41,4 м. Мост расположен в Москве на ул. Промышленная, около о.п. Чертаново (рис. 2,а).
Пешеходный мост через платформу Косино. Дата сдачи в эксплуатацию - июль 2005 г. Длина пролёта 47 м. Мост расположен в Москве на ул. Каскадная, около о.п. Косино (рис. 2,б). Пешеходный переход над платформой Косино, разработанный и установленный в рамках реконструкции казанского направления Московской железной дороги, является первым в России мостом со сходами, все элементы которого изготовлены из композиционного материала. Затруднённые условия монтажа, связанные с реконструкцией инфраструктуры дороги и прилегающей территории, существенно ограничили в данном случае объём использования специальной техники. Решением этой проблемы стало применение мостовой конструкции из композиционного материала, в результате чего мост был установлен за несколько часов в стеснённых условиях без привлечения дополнительных технических и монтажных ресурсов.
Платформа Тестовская. Длина пролёта 48 м. Мост расположен в Москве на пересечении Шмитовского проезда и Третьего транспортного кольца. Время создания моста от начала проектирования до установки на место составило 2 мес (рис. 2,в).
Мобильный сборно-разборный пешеходный мост. Длина пролёта 50 м. Мост устанавливался с 27 декабря 2006 г. по 15 апреля 2007 г. в Москве на Смоленской площади (рис. 2,г).

Мостовые строения проектировались в соответствии со Стандартом организации СТО 11567537.01-2008, который разработан специалистами НПП «АпАТэК» и согласован с ОАО ЦНИ-ИС НИЦ «Мосты», ГУП «Гормост», ОАО «Союздорпроект».

В табл. 2 приведены сравнительные данные по структуре цен на создание типового верхнепутевого пешеходного моста с пролётом 27 м и шириной 3 м. Расчёты проведены с учётом существующих цен на материалы и нормативов некалькулируемых статей затрат, действующих в конкретном производстве.

Приведённые в табл. 2 данные показывают, что стоимость стеклопластикового моста с применением пултрузионных профилей оказывается на 9,56% дороже стального моста. Однако стоимость эксплуатационных расходов за рассматриваемый период в течение 50 лет на поддержание металлической конструкции составит около 160 000 долл., а для конструкции из стеклопластика - 20 000 долл.

Исходя из первоначальной стоимости создания мостов и учитывая превышение эксплуатационных затрат по обслуживанию стального моста, общая сумма затрат по стальному мосту составит 411 000 долл., а по композитному - 295 000 долл., что явно показывает преимущество композитных пултрузионных конструкций.

Инфузионная технология изготовления крупногабаритных конструкций

Вторым инновационным методом изготовления арочных мостовых конструкций из композитов является вакуумная инфузия. Вакуумная инфузия - это технологический процесс изготовления композитных изделий, при котором материал формируется путём пропитки армирующего наполнителя низковязкой смолой за счёт действия вакуума . Цикл изготовления изделия методом вакуумной инфузии (рис. 3) состоит из пяти стадий: подготовка армирующего наполнителя (рис. 3,а), укладка армирующего наполнителя в жёсткую форму (рис. 3,б), установка мешка для вакуумирования и системы пропитки (рис. 3,в), пропитка армирующего наполнителя смолой за счёт пониженного давления (рис. 3,г), полимеризация и съём ГОТОВОГО изделия (рис. 3,д).

Таблица 2
Затраты на создание и монтаж моста из металлических и композитных конструкций

Статья затрат	Стеклопластик	Сталь
	тыс. долл. США
Проектирование	60	30
Фундамент	45	55
Материалы	62	10
Подсборки	72	90
Монтаж на месте	21	42
Обработка поверхности	7	22
Технологическое оснащение	8	2
Всего:	275	251

С использованием технологии вакуумной инфузии возможно изготавливать крупногабаритные композитные конструкции. Примерами таких изделий являются корпуса кораблей , лопасти ветряных установок , мостовые конструкции и др. На рис. 4 показан первый в России арочный мост из полимерного композиционного материала . Мост изготовлен в НПП «АпАТэК» методом вакуумной инфузии. Длина пролёта 23 м. Мост был установлен 18 июня 2008 г. в Москве в Парке 50-летия Октября (станция метро «Проспект Вернадского»). В результате выполнения данного проекта была разработана продуктовая линейка необслуживаемых модульных композитных арочных мостов для зон отдыха, парков и малых рек с длиной пролёта от 15 до 30 м и со сроком службы до 100 лет. Внедрение новой технологии вакуумной инфузии в серийное производство позволило обеспечить изготовление мостовой конструкции за один технологический переход, тем самым минимизировав работы по сборке и существенно снизив себестоимость. Применение данного технологического процесса для производства мостов и других строительных конструкций снимает ограничения в области дизайна, неизбежно возникающие при проектировании из элементов типовой номенклатуры, и позволяет создавать новые, необычные, радующие глаз архитектурные формы.

Эффективность использования композитов на основе углеродных волокон в мостостроении

Новые задачи, связанные с необходимостью увеличения длины пролётных строений, требуют создания и применения композитов с более высоким модулем упругости, который может быть достигнут за счёт использования в составе композита углеродных волокон . Требования по прочности и модулю упругости к углеродным волокнам, предназначенным для использования в мостостроении, не столь высоки по сравнению с таковыми, предъявляемыми к волокнам, применяемым в авиации и космосе. Для мостовых конструкций удельные характеристики не столь существенны. Превалирующим фактором является соотношение упругопрочностых характеристик и цены.

Цель настоящих исследований состояла в том, чтобы выбрать углеродные волокна с физико-механическими характеристиками, которые бы при введении в состав профилей из стеклопластика обеспечивали повышение жёсткости без значительного удорожания мостовых конструкций.

Для решения этой задачи проведён комплекс расчётных, технологических и экспериментальных исследований и сформулированы технические требования к углеродным волокнам исходя из критерия стоимости базовых материалов, а также определено объёмное содержание углеродного волокна в сечении профилей и отработана технология изготовления профилей из углестеклопластика.

Для изготовления пултрузионных профилей, используемых в строительстве и мостостроении, были выбраны углеродные жгуты индустриального применения, изготовленные на основе волокон полиакрилонитрила (ПАН) - волокон высокого метрического номера 10-30 ктекс (100-300 К) (К = 1000 филаментов) . Поверхность углеродного жгута активирована и обработана универсальным аппретирующим составом, пригодным для совмещения с винилэфирными, эпоксидными, полиуретановыми и фенольными связующими.

Характеристики углеродных волокон в сравнении со стеклянными приведены в табл. 3.

Физико-механические характеристики пултрузионных однонаправленных композитов на основе гибридного эпоксивинилэфирного связующего приведены в табл. 4.

Как следует из табл. 4, при равном содержании волокон модули упругости при растяжении и сжатии различаются в ~ 2 раза.

Многокритериальный подход позволил найти области для параметров, ответственных за повышение жёсткости и конкурентоспособности элементов мостовой конструкции из углестеклопластика по сравнению с элементами мостовых конструкций из чистого стеклопластика, определив свойства волокон, их объёмное содержание, характер распределения в сечении, геометрию профиля и цену.

Было показано, что для увеличения жёсткости швеллера наиболее эффективно вводить вставки из углеродных волокон в его полки.

Таблица 3
Характеристики углеродных и стеклянных волокон

Волокно	Разрывная прочность, МПа	Модуль упругости, ГПа	Диаметр волокна, мкм	Содержание аппрета, % масс.	Плотность, кг/м 3
Углеродное волокно, УК-П	2500-2800	160-200	7,5-8,5	0,5-1,0	1730-1750
Стекловолокно «Е»	2500-2800	72-80	17	0,5	2560

Таблица 4
Физико-механические характеристики пултрузионных композитов

Материал	Содержание волокна, % об.	Плотность, кг/м 3	Предел прочности при растяжении, МПа, не менее	Модуль упругости при растяжении, ГПа, не менее	Предел прочности при сжатии, МПа, не менее	Модуль упругости при сжатии, ГПа, не менее	Предел прочности при сдвиге, МПа, не менее
Углепластик	60	1560	1200	105	700	95	60
Стеклопластик	60	2050	1200	48	500	45	60

Рассмотрим произвольный швеллер (рис. 5), который характеризуется следующими параметрами: высота стенки Н, ширина полки В, толщина полки Т 1 , толщина стенки Т 2 Основными характеристиками профиля являются следующие величины:

А- площадь сечения;
g - погонный вес профиля;
I xx - момент инерции сечения относительно оси ОХ;
EI xx - жёсткость сечения относительно оси ОХ;
k xx - увеличение жёсткости сечения относительно оси OX при введении углеродных вставок;
р - увеличение себестоимости профиля при введении углеродных вставок.

Представляло интерес оценить расчётным путём изменение жёсткости профиля в зависимости от объёмного содержания углеродных волокон с различным модулем упругости (рис. 6). Цифрами 1,2,3 обозначены зависимости, показывающие относительное изменение расчётной жёсткости от объёмного содержания v углеродных волокон с различными модулями упругости Е = 350, 270 и 190 ГПа соответственно.

Как следует из рис. 6, использование высокомодульных волокон (Е = 300-350 ГПа) позволяет в 4 раза повысить жёсткость профиля.

Однако углеродное волокно стоит намного дороже, чем стеклянное волокно. Поэтому стоимость швеллера с углеродными волокнами может превышать выгоды, полученные за счёт увеличения его жёсткости. Для оценки эффективности использования новых материалов введём величину, которую назовём эффективность использования К И. Эта величина рассчитывается по формуле

где Δk xx - интенсивность увеличения жёсткости при изменении параметров; Δp - интенсивность увеличения себестоимости материалов; φ - изменяемый параметр.

Если K и <1, то модификацию профиля считаем не эффективной, в противном случае - эффективной.

Оценим параметр К и при введении углеродных вставок в швеллер по формуле

где К уг - жёсткость профиля с углеродными вставками; К- жёсткость профиля без углеродных вставок; ΔЕ=(Е уг -Е ст)/Е ст - относительное увеличение модуля упругости углеродного волокна по отношению к стеклянному волокну; ν уг - объёмное содержание углепластика в углеродной вставке; ν н - объёмное содержание армирующего наполнителя в пластике; Р уг - себестоимость профиля с углеродными вставками; Р - стоимость одного погонного метра профиля без углеродных вставок; E уг, E ст - модуль углепластика и стеклопластика; р уг - стоимость 1 кг углеродного волокна; р ст -стоимость 1 кг стеклянного волокна; р уг - плотность угля; р ст - плотность стекла; I уг - момент инерции профиля; I уг - момент инерции углеродной вставки; S уг - площадь углеродной вставки.

Анализируя выражение (1), можно сделать вывод, что эффективность зависит от отношения между увеличением модуля упругости и ценой на углеродное волокно, а также от отношения геометрических параметров.

Учитывая, что при эффективной модификации К и >=1, можно найти зависимость между стоимостью углеродного волокна и модулем упругости, при котором выгодно использовать углеродное волокно:

В качестве примера оценим максимально допустимую стоимость углеродного волокна при модификации мостового швеллера 388х120х12/10 мм .

Входные параметры

Плотность углерода, г/см 3 — 1,73
Плотность стекла, г/см 3 — 2,56
Стоимость 1 кг УК, у.е — 18
Стоимость 1 кг стеклоровинга, у.е — 1,6
Содержание армирующего наполнителя — 0,4
Модуль стеклопластика, ГПа — 34,4
Модуль углепластика, ГПа — 78,8
Момент инерции, мм 4 — 142 х 10
Момент инерции углестеклопластиковои вставки, мм 4 — 101 х 10
Стоимость стеклопластикового швеллера, у.е./м — 35
Площадь углестеклопластиковои вставки, мм 2 — 2880

Подставляя эти значения в формулу (2), получаем, что стоимость углеродного наполнителя не должна превышать 18 у.е.

Был изготовлен пултрузионным способом швеллер поперечного сечения 388 х 120 х 12/10 мм. Углеродный жгут УК (30 ктекс) вводился равномерно в полки швеллера, чередуясь со стекловолокном. При этом объёмное содержание углеродного волокна в материале полки составило 20% (по объёму всего изделия 10%). На рис. 7 представлена фотография натурного сечения профиля со вставками из углеродного волокна.

Характеристики гибридного материала стеклоуглепластика, полученные на образцах, вырезанных из полок профиля, приведены в табл. 5. Фотография установки для испытания на изгиб полноразмерного профиля приведена на рис. 8.

В табл. 6 представлены результаты эксперимента на изгиб для стеклоуглепластикового и стеклопластикового швеллеров (пролёт 2,8 м). Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что жёсткость профиля повысилась в 1,4 раза.

При сопоставлении полученных данных установлена относительно высокая сходимость расчётных и экспериментальных значений жёсткости пултрузионного профиля на основе углестеклопластика, подтверждающая эффективность использования углеродных волокон с модулем 160-200 ГПа для пултрузионных элементов мостовых конструкций.

Таблица 5
Характеристики стеклоуглепластика

Характеристика	Среднее значение	Коэффициент вариации, %
Предел прочности на растяжение σ B , МПа	529	10,2
Модуль упругости Е, ГПа	48,27	7,1
Предел прочности на сжатие вдоль армирования σ B , МПа	366	9,5
Предел прочности на сжатие поперёк армирования σ B , МПА	98,9	7,4
Разрушающее напряжение сдвига τ , МПа	41,1	2,6

Таблица 6
Результаты эксперимента на изгиб

Наноматериалы для мостостроения

Технологические процессы изготовления элементов мостовых конструкций методами пултрузии и инфузии требуют разработки полимерных связующих со строго регламентированными реологическими характеристиками, которые затрудняют решение проблемы стойкости к горению, например, введением большого количества порошкообразных антипиренов, резко повышающих вязкость связующего.

Очевидным решением проблемы является использование наномодификатора - порошка нано-частиц меди в количестве менее 1%, практически не влияющем на вязкость связующего, но обеспечивающем эффект по параметрам, характеризующим сопротивляемость горению на уровне композита, содержащего более 100% тригидрата оксида алюминия .

Механизм работы наномеди как антипирена основан на передаче 4f-электрона радикалу ОН, освобождающемуся при горении полимера. При этом 0-валентная медь окисляется, а радикал восстанавливается и становится неактивным, горение прекращается. Известно, что медь является сильным восстановителем и может вывести из рабочего состояния отвердители и катализаторы. Для исключения этого отрицательного эффекта проводилось капсулирование наномеди эпоксидными составами. Для предотвращения окисления все процессы совмещения наночастиц меди с полимерами осуществлялись в вакуумной среде. В патентах России и США показано, что введением наночастиц меди в сочетании с наночастицами силикатов и тригидратом оксида алюминия достигается синергетический эффект огнезащиты полимеров и композитов на их основе.

На основе связующего, модифицированного наномедью, были изготовлены пултрузионные профили (швеллер 400 х 120 х 18 мм) (рис. 9).

Таблица 7
Результаты определения горючести и воспламеняемости

Показатель	КМ + 100%	КМ + наночастицы меди
Горючесть ГОСТ 30244-94
Температура дымовых газов, °С	184	105
Время самостоятельного горения, с	29	26
Повреждения образца по длине, %	15	12
Степень повреждения образцов по массе	2	1
Воспламеняемость ГОСТ 30402—96
Время до воспламенения при плотности теплового потока, с:
20 кВт/м 2	600	отсутствует
25 кВт/м 2	-	911
30 кВт/м 2	154	391
Критическая поверхностная плотность теплового потока, кВт/м 2	20	25

Методом электронной микроскопии исследована структура образцов композита, вырезанных из швеллера. Снимки приведены на рис. 10, на которых видны единичные включения частиц меди и кластеры из нескольких частиц.

В табл. 7 приведены результаты определения горючести и воспламеняемости по строительным нормам. Из представленных результатов видно: при испытании на горючесть снижаются практически все показатели, в частности, один из наиболее важных - температура дымовых газов. Результаты по снижению температуры дымовых газов практически в 1,5 раза и отсутствие воспламенения при плотности теплового потока при 20 кВт/м 2 являются важными показателями для объектов, эксплуатирующихся в подземных переходах, например, пандусов для инвалидов.

С применением наномодифицированного связующего изготовлена партия пултрузионных профилей, и с их использованием построен первый мостик, подаренный НПП «АпАТэК» городу Сочи. Длина пролёта 13 м. На рис. 11 показаны области применения нанодобавок.

Библиографический список

Кленин Ю.Г. и др. Мостовые конструкции из стеклопластика / Ю.Г.Кленин, С.Н.Озеров, В.Т.Семёнов, А.Е.Ушаков, А.Х.Хайретдинов // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. Вып. 1. М. : Изд-во ЦАГИ, 2001. С. 135-140.
Кленин Ю.Г. и др. Применение композиционных материалов для мостовых конструкций / Ю.Г.Кленин, А.В.Панков, Т.ГСорина, А.Е.Ушаков // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. Вып. 3. М. : Изд-во ЦАГИ, 2004. С. 5-12.
Озеров С.Н., Панков А.В. Выбор конструктивно-силовой схемы пешеходного моста и сортамента профилей // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. Вып. 3. М.: Изд-во ЦАГИ, 2004. С. 42-4%.
Казак А.Е., Панков А.В. Оценка возможности создания железнодорожного моста из композитных пултрузионных профилей // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. Вып. 3. М. : Изд-во ЦАГИ, 2004. С. 36-41.
Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М.Л.Кербер, В.М.Виноградов, Г.С.Головкин и др.; под ред. А.А.Берлина. СПб.: Профессия, 2008.
Кленин Ю.Г. Разработка пултрузионной технологии производства профилей силового и электроизоляционного назначения // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. Вып. 2. М.: Изд-во ЦАГИ, 2003. С. 36-38.
Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков / Гуртовик И.Г., Соколов В.И., Трофимов Н.Н., Шалгунов С.Г М.: Мир, 2002.
Marshall R. All about powerboats: understanding design and performance. McGraw-Hill Professional, 2002. ISBN 0071362045, 9780071362047.
Koefoed M. Modeling and Simulation of the VARTM Process for Wind Turbine Blades: Special Report. No. 50. Institute of Mechanical Engineering, Aalborg University. Denmark. January 2003, ISSN 0905-2305.
Ushakov A., Klenin Y., Ozerov S. Development of modular arched bridge design // Proceedings of 5th International Engineering and Construction Conference (IECC"5). Irvine, CA, USA. 2008. P. 95-101.
Композиционные материалы: в 8 т. Т. 3: под ред. Л.Браутмана, Р.Крока; пер. с англ. М. : Машиностроение, 1978; Применение композиционных материалов в технике / под ред. Б.Нотона, 1978.
Углеродные волокна / под ред. С.Симамуры; пер. с япон. М. : Мир, 1987.
Pultmsion composites and products with high fire resistance on the base of nanomodified polymers / A.E.Ushakov, U.G.Klenin, T.G.Sorina, A.X.Hayretdinov, A.A.Safonov // Proceedings of 2nd Global Pultrusion Conf. «Composite Profiles - Engineering & Design». Baltimore, USA, 2009.

A.E. Ушаков: профессор, д-р техн. наук. Генеральный директор НТИЦ «АпАТэК-Дубна». Университетская ул., д. 11, стр. 16. 141980 Дубна, Россия
Ю. Г. Кленин: управляющий директор НТИЦ «АпАТэК-Дубна».
Т.Г. Сорина: канд. техн. наук, главный специалист НТИЦ «АпАТэК-Дубна».
А.Х. Хайретдинов: главный специалист НТИЦ «АпАТэК-Дубна».
А.А. Сафонов: канд. техн. наук, начальник отдела НТИЦ «АпАТэК-Дубна».

их отличии от других, традиционных изделий

Без современных инновационных технологий невозможно создать новейшие решения в области строительства, а также в коммерческом и жилом строительстве, в реставрационных работах автомобильных дорог. Раньше в этих технологиях использовались изделия из стали, алюминия, железобетона, но на сегодняшний день нет ничего более современного, прочного и экологичного, чем синтетические композитные изделия из полимерных соединений.

Как правило, состав композитного материала включает в себя два трипа составляющих: связующее (матрица) или армирующий материал. Благодаря матрице изделие обеспечивается определенной формой и фиксирует армирующий материал. За счет этого матрица усиливается и передает свои свойства изделию. Подобное совмещение этих характеристик в веществах гарантированно создает принципиально новый композитный материал.

Тип армирующего вещества определяет виды композитных материалов. По этой характеристике они могут быть наполненными, иметь волокнистую, слоистую структуру, а также быть насыпными и скелетными. Свойства, которыми обладает тот или иной композитный материал зависит от сочетания физических, механических, химических характеристик, которыми будет обладать матрица и армирующий материал. Композитные материалы в последнее время стали очень популярными и очень часто применяются в разных сферах. Это легко объяснить тем, что у этих материалов есть целый ряд преимуществ, которые отличают их от других, традиционных изделий.

К основным достоинствам композитных материалов относятся свойства, благодаря которым синтетические материалы обладают более высокой прочностью и устойчивостью к деформациям, разрывам, сжатиям, срезам и скручиваниям. Помимо этого, полимерные синтетические материалы являются более легкими по массе, удобными для транспортировки и установки. При этом есть хорошая возможность также и оптимизировать затраты на эти позиции.

Композит устойчив к химическому воздействию агрессивной среды, атмосферные осадки ему тоже не повредят. Материал не боится резких перепадов температур, способен эффективно использоваться в разных температурных режимах при неблагоприятных климатических условиях. Ко всему перечисленному, можно сказать, что этот материал целиком безопасен для окружающей среды и полностью соответствует всем экологическим требованиям.

Особенности композитов.

Композитные материалы имеют свои особенности, которые очень выгодно отличают их среди традиционных стройматериалов. Новые материалы создаютсяблагодаря естественным стремлениям разработчиков улучшать характеристики конструкций, которые эксплуатируются в данный момент, а также тех, которые вводятся в эксплуатацию. Эти технологии, осваиваясь строителями, дают новую возможность для разработки более современных сооружений и технологий. Одним из максимально ярких проявлений особенностей разработки полимерных материалов, является тот факт, что композит очень широко применяется в разных областях строительства.

Композитные материалы можно весьма справедливо назвать сырьем для строительства двадцать первого века. Они имеют высочайшие физико-механические свойства при невысокой плотности. Они более крепкие, нежели стальные и алюминиевые сплавы.

Композитные материалы являются многосложными гетерогенными (разнородными) структурами, которые образовываются соединением армирующих элементов с изобтропным связующим. Армирующий элемент может иметь вид тонкого волокна, нити, жгута или ткани, обеспечивает физические свойства этого материала, который будет гарантированно прочным и жестким в направлении ориентации волокна, а матрица обеспечит цельность конструкции. Нынешние композитные материалы имеют удельную прочность и жесткость в направлении армирования, и этот показатель более, чем в 4 раза может превышать показатели стальной, алюминиевой арматуры и изделий из титановых сплавов.

При помощи внешней нагрузки на материал в момент разрушения определяется прочность конструкции. Жесткостью или модулем упругости называют характеристики материалов, которые определяют смещение сооружений под воздействием внешнего напряжения. Эта характеристика прямо пропорциональна явлению потери устойчивости сооружения, в момент, когда в нем развиваются переменные значения и возникает большая нагрузка на основание. В такие моменты несущая конструкция может быть разрушена. Удельной прочностью и удельной жесткостью является отношение предельного напряжения к модулю упругости в соответствии с плотностью материала. При более высоких удельных свойствах материалов, конструкция будет более легкой и прочной и порог потери устойчивости намного выше.

Для армирования материалов, как правило, используют высокопрочные волокна из стекла, базальта, арамида, углеродных, борных, органических соединений, а также из металлической проволоки и нитевидных кристаллов. Эти компоненты для армирования могут применяться в виде моноволокна, нити, проволоки, жгутов, а также ткани или сетки.

В композитном материале матрица является важнейшей составляющей, благодаря которой обеспечивается цельность композиции, фиксируется его форма и расположение армирующего волокна. Благодаря материалу матрицы можно обеспечить оптимальный метод изготовления элементов, а также выбрать соответствующий уровень рабочей температуры композита, стойкость к химическим раздражителям, поведение композита при влиянии атмосферных осадков и повышенных или пониженных температур.

Матрицей могут выступать материалы из эпоксидной, полиэфирной и некоторых других термореактивных, полимерных и термопластичных материалов. В композитных материалах волокнистой структуры, напряжение, которое возникает под воздействием внешних нагрузок, воспринимается высокопрочными волокнами. Они же и обеспечивают прочность сооружения по направлению армирования. Благодаря направленному характеру свойств композитных материалов, они имеют превосходные качества. Из композитных материалов могут создаваться конструкции со свойствами, заданными ранее и максимально соответствующие специфике и свойствам работ. Благодаря многообразию волокон и материалов для матрицы, а также схемы по котором происходит процесс армирования при создании композита, есть возможность целенаправленно производить регулирование прочности, жесткости, уровня рабочей температуры, химической стойкости и других свойств.

Широкие возможности технологического процесса производства материалов разных по форме определяют широкий ассортимент композитных материалов, которые можно сделать. При соблюдении всех технологий, необходимо применение специальных агрегатов и оборудования, оснастки и других станков. С помощью этой техники арматурные стержни можно гнуть в различных направлениях для самых нестандартных строительных решений.

В данном разделе мы можем подробно рассмотреть, что используется для изготовления композитных материалов, какой вид армирующего материала и матрицы можно применять, а также какие виды технологий применяются при производстве.

Композитные материалы и технологии.

Армирующие материалы для композитов:

		1. Стекловолокно. В технологии производства композитных материалов используются такие армирующие материалы, как стекловолокно. Этот материал является производной формой стекла, расплавленного методом экструзии. В процессе изготовления через прядильные фильтры пропускаются расплавленные нити, которые становятся очень прочными. Этот материал, в отличие от изделий из стекла, не бьется, не ломается, но при этом остается очень прочным и позволяет производить из него ткани и кабели для различного назначения. Как правило, его очень часто и широко применяют в строительстве домов, фундаментов для капитального строительства, а также реконструкционных работ в автодоре. Стекловолокно также используют для теплоизоляции фасадов, и звукоизоляции. Регулярно используется стекловолокно и для отделочных и конструкционных материалов, например стеклопластиковой арматуры, облицовочных панелей, досок, черепицы из стекловолокна. Этот материал обладает огнестойкостью, поэтому он безопасен для любых помещений, как коммерческих, так и жилых. Если сравнить стекловолокно с обычными материалами, то композит выгодно отличается и по цене. Даная технология позволяет производить материалы, имеющие удельную прочность выше, нежели удельная прочность стали. А еще очень важно, что стекловолокну можно придать абсолютно любую форму.
		2. Базальтовое волокно. Еще одним очень популярным материалом для производства композита является базальтовое волокно, которое производится из горных пород, соответствующих по конструкции с базальтом, базанитом и габрадиабазом. Также используются и комбинации этих материалов. Данное волокно производят в специальных печах при высокой температуре. Материалы плавятся и свободно стекают сквозь особый отвод. Базальтовое волокно может быть двух типов - штапельным и непрерывным, отличия этих двух видов в свойствах самого материала. Его очень широко применяют в производстве фильтров. Этот материал обладает легкостью и прочностью, благодаря чему его успешно используют для армирования бетонных сооружений. Базальтовая фибра применяется в строительстве, благодаря чему конструкция значительно улучшает свои качества в плане ударной прочности, морозостойкости и водонепроницаемости сооружений. Из базальтового волокна изготавливают теплоизоляцию и огнезащиту, базальтопластиковую арматуру, наполнители для фильтров со сверхтонкой очисткой, смеси для армирования бетона, изоляцию различных станков, которые работают в неблагоприятных погодных условиях и при очень низких температурах. Из этого материала изготавливают базальтовые маты и плиты из волокна, которые в последствие используются для обшивки трубопроводов. Основными преимуществами изделий из базальтового волокна являются такие свойства, как высокая стойкость к химическому воздействию, низкая масса и очень выгодная цена. Пористая структура базальтового волокна не угнетает пропускную способность, а фибра, произведенная из базальтовых волокон, не подвергается коррозии и не обладает катодным эффектом, в отличие от металлических изделий.
		3. Углеродное волокно. В производстве композитных материалов используют также и углеродное волокно. Этот материал представляет собой вещество, в составе которого находится только карбонатный углерод. Этот материал был впервые изготовленный и запатентованный Томасом Эдисоном в конце 19 века, является сверхпрочным элементом, который можно получить с помощью метода обработки органического волокна высокими температурами. Производство композиционных материалов из углеродного карбоната представляет весьма непростой процесс, который осуществляется комплексно. После того, как материал окончательно застынет и графитизируется, количество чистого углерода в волокне будет составлять около 99%. Углеродные композиты применяются, в основном, в области производства фрагментов летательных аппаратов, а также устройств, которые испытывают постоянные высокие нагрузки. Плавится этот материал при очень высокой температуре, поэтому его успешно применяют для термоизоляции в производстве вакуумных печей. К тому же, углеродный композит имеет свойство эффективно поглощать электромагнитные волны, что широко используется в радиотехнике. Углеволокно обладает крайне высокой химической стойкостью. Применяют его в производстве космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов, деталей гоночных машин, экранов, поглощающих электро-магнитные волны, а также для производства профессионального спортивного инвентаря. Если сравнивать углекарбонатное волокно с традиционными материалами, то новый технологический материал обладает легкостью и прочностью, благодаря чему им можно заменить любой пластик и металл.
		4. Арамидное волокно. Арамидное волокно также очень часто применяется в производстве композитных материалов. Его еще иногда называют кевларом. Он представляет собой прочный синтетических материал, получаемый из сополимерных нитей посредством нагрева их до пяти ста градусов. Этот материал имеет несколько разновидностей, таких как пара-арамидные и мета-арамидные волокна. Последние обладают очень высокой термостойкостью, благодаря чему их можно применять для создания аксессуаров в одежде. Волокна из арамида широко применяются во многих видах промышленности. Они сочетают в себе легкость и прочность. Их применяют для конструирования авиакосмических аппаратов, деталей гоночных автомобилей, а также для производства спецодежды и экипировки гонщиков, военных, пожарных и других специальных сфер. Немаловажно, что арамид используют для производства бронежилетов, оплетки кабелей, сверхпрочных троссов, огнезащитной одежды, армирования автомобильных шин. Этот материал имеет очень высокий уровень прочности на разрыв, а также высокую стойкость к химическому воздействию и высокой температурой плавления. Благодаря таким качествам арамидное волокно практически не имеет аналогов, что позволяет производить из него ровинги. Они представляют собой жгуты, собранные из нитей этого волокна. Ровинги могут различаться по плотности или по толщине, это зависит от количества нитей волокон в жгуте, диаметра нити, вида сырья, из которого его производят.

На основе вышеописанных волокон производятся ровинги. Ровинг - представляет собой жгут собранный из нитей непрерывного волокна. Ровинги различаются: плотностью или толщиной - количеством нитей волокна в жгуте, диаметром единичной нити, видом сырья из которого они произведены, видом замасливателя и предназначением. Свое основное обозначение они имеют в тексах ("tex") — это вес 1-го километра ровинга в граммах. Поставляются ровинги в бобинах или катушках, герметично упакованных в пленку.

Стеклянный ровинг является непрерывным жгутом, сотканным из стеклонити. Для того что бы обозначить толщину ровинга, которая зависит от того, сколько нитей в него входит, применяют величину текс («tex»). В основном, ровинг производят на специальных тростильно-мотальных агрегатах, используя отдельные нити стекловолокна. Стекложгут в готовом виде прописывают специальным клеем из термопласта, который называется замасливатель. При помощи ровинга из стекла можно изготавливать арматуру, разнообразные профили, а также вращательные цилиндры, трубы, цистерны, которые можно использовать для того, чтобы хранить и транспортировать химические реагенты. Ровинг можно применять, как армирующий материал. Благодаря тому, что цена на него очень доступна, материал легкий и пластичный, его очень часто применяют в отделочных работах и декорировании фасадов. Также, ровинг используют для наполнения пластиков, изготовления пултрузионных профилей, строительной арматуры, армирования теплопласта, а также для изготовления стеклоткани, улучшения качества асфальтобетонного покрытия, а также для изготовления труб и ёмкостей, которые используются при высоком давлении.

Изделия, в основе которого лежит стеклянный ровинг, имеют множество достоинств. Прежде всего, это доступная цена, высокая прочность, безопасность, стойкость к неблагоприятным условиям, невосприимчивость к повреждениям и может быть использована в качестве теплоизоляционного материала в течение долгого времени.

Ровинг из базальта является, по сути, жгутом, в котором равномерно натянуты цельные базальтовые нити. Что бы изготовить нити, крупнофракционный базальтовый щебень дробят, просеивают, промывают и просушивают. После этот состав загружается в рекуперативные печи для плавки, где крошка нагревается до 1500 градусов. Состав начинает плавиться и стекать в фидер, после чего поступает в фильерный питатель, откуда его вытягивают с помощью специального устройства, которое образует непрерывные нити. Способ прядения определяет каким будет ровинг - однопрокатным с прямыми нитями или сложенным. Высокая прочность и невосприимчивость вещества к агрессивной среде позволяет ровингу использоваться в производстве труб для транспортирования химических веществ, газов, находящихся в условиях высокой температуры и горюче-смазочных материалов. Ровинг на основе базальта используют также и для изготовления ткани и препрегов, строительной арматуры, армирования пластика и бетонных изделий, для изготовления крышных установок и облицовочного материала, в производстве термоизоляционных матов, для улучшения асфальтового покрытия в строительных и реконструкционных работах на дорогах.

Ровинг из углерода представляет собой пряди, сотканные из цельных углеродных волокон. Нити волокна, которые входят в состав материала имеют очень маленький диаметр, до 15 микрон, благодаря чему жгут имеет очень высокую прочность на разрыв. Также, материал имеет очень маленький вес. Во время изготовления ними нагревают до 1700 градусов, химически обрабатываются, благодаря чему происходит карбонизация. Ровинги продаются в катушках, при этом их необходимо хранить в сухом месте. Углеродный ровинг можно применять на стройках, в области судостроения и авиационного производства. Высокие механические свойства, которыми обладают ровинги, позволяют ламинировать, армировать системы, в составе которых содержится эпоксидная, виниловая, полиэстровая смола. Ровинги, в составе которых есть нити углерода используют в медицинских целях, в строительстве, электротехники, авиастроении и ракетостроении, в нефтяной промышленности, космической промышленности, при изготовлении спортивных снарядов.

Преимущества углеродного ровинга очевидны - по сравнению с традиционно используемыми материалами, он имеет высокую прочность на разрыв, не ржавеют, и выдерживают экстремально высокие температуры. Волокна из углерода, которые входят в состав жгутоа, способны задерживать альфа частицы, а их свойства позволяют создавать бесшовные изделия сложных форм.

Виды композитных связующих. Матрицы композитов:

1. Эпоксидное связующее.

Композитные связующие и матрицы могут быть различных видов. Очень часто используется эпоксидное связующее, которое образовано из вещества эпоксидной группы. Этот материал имеет трехмерную структуру, которая устойчива к воздействию щелочных, кислотных и галогеновых растворов. Связующее из эпоксида широко применяется в самых различных отраслях промышленности. Его применяют с целью склеить различные типы армирующих элементов и получить качественный композитный материал. Также, его используют как герметирующее средство для электронных приборов, различных плат и других устройств. Широко применяется это связующее в строительных работах, а также в бытовых целях.

2. Полиимидные связующие.

Не менее известным и популярным является связующее из полиимида. Эти вещества относятся к теплостойкому классу материалов, имеющих сложную структуру, имеющую большое количество связей между частицами. Благодаря теплостойкости этих частиц, этот материал используется, как связующее в системах теплозащиты космических кораблей, в ракетостроительной промышленности, а также многих других изделий, которые используются при агрессивно высоких температурах. Выбирая этот тип связующего, необходимо учитывать фактор токсичности этого материала, очень высокий уровень вязкости при обычных температурах, достаточно высокую цену, которая связана с длительным процессом производства.

3. Полиэфирное связующее.

Связующие из полиэфира - это продукт, который образовался в процессе полимеризации эфиров с насыщенными частицами. Особенность этого вещества заключается в том, что в нем присутствует высокий процент стирола, возникающий в процессе полимеризации. Это может приводить к двум негативным особенностям этого материала - кроме пористой структуры, он может быть еще и токсичным. Однако, эта связка более дешевая, нежели эпоксидное связующее, а также имеет меньшую вязкость и наносить его легче.

4. Фенолформальдегидное связующее.

Связующее из фенолформальдегида отличается особенностью, что уровень рабочей температуры может быть очень высоким. Также, немаловажно, что этот материал очень доступен, поскольку является побочным продуктом синтеза нефтяных продуктов. Он имеет хорошую текучесть, благодаря чему можно получить изделия различных конфигураций. Благодаря применению этого связующего материала можно получить хорошо пропитываемый армирующий элемент в композитном материале.

5. Углеродное связующее.

Углеродное связующее позволит произвести изделие, обладающее очень высокими физическими и механическими свойствами. Его коэффициент линейного теплового расширения ≈10-7- 10-8; коэффициент теплопроводности до 1000 Вт/м.К; модуль упругости Е≈600 ГПа. Это вещество, также имеет отличные электротехнические свойства, а также высокую химическую инертность. Эту связку применяют в процессе изготовления сопловых блоков моторов, термостойкой плитки, а также в элементах электротехники.

6. Цианат-эфирное связующее.

Цианат-эфирное связующее вещество имеет высокую радиационную стойкость, изменяемые механические свойства, которые зависят от времени обработки, а также низкое влагопоглощение и низкую диэлектрическую постоянную. Кроме того, связующие из цианат-эфира являются очень стойкими к изменениям температур, которые в других материалах могут вызывать микротрещины, а затем распад вещества. Благодаря этим свойствам цианат-эфир широко используют в композитных материалах для космической промышленности. Вещество применяется для изготовления рефлекторов, обтекателей, антенн, отражателей, а также размеростабильных пространственных структур.

ГЕЛЬКОУТЫ

Для покрытия композитных материалов, используют модицифированные смолы, которые называются гелькоуты. Их изготавливают из полиэфирной или эпоксидной смолы, благодаря чему композит будет иметь гладкую глянцевую поверхность. Нанесение гелькоута необходимо производить с помощью краскопульта, что гарантирует равномерный слой, без отслаивания. В процессе формирования детали, зачастую используют специальный гелькоут матричного вида, который можно наносить более толстым слоем. Как правило, этой смолой покрывают стеклопластиковые изделия, благодаря чему создается дополнительная защита и продлевается срок эксплуатации материалов. Также, с помощью гелькоута поверхность окрашивается в необходимый цвет.

Информацию о технологиях производства композитных материалов можно прочитать

«Композиты России» ведут разработки наномодфицированного композиционного материала для изготовления крупногабаритных силовых конструкций.
«В планах работ у специалистов Центра создание силовых конструкций, обладающих на 25% более высокой несущей способностью, на 20% уменьшенной массой, на 10% уменьшенной трудоемкостью изготовления, на 15% уменьшенной стоимостью, при этом работающих во всех климатических условиях при температурах от минус 65°С до плюс 65°С» – говорит .
Основным преимуществом использования силовых конструкций из композитов является быстрота и легкость монтажа, а это особенно актуально для скорейшего устранения последствий аварий и стихийных бедствий, нештатных ситуаций.
«Модульный принцип проектируемых конструкций позволяет создать гибкое решение для конкретного случая отказа штатной конструкции – говорит Владимир Нелюб. — Результатом работы является создание сортамента крупногабаритных изделий, применяемых в строительстве, электроэнергетике и нефтегазовой промышленности: основные несущие конструкции, типовые вертикальные колонны в строительстве зданий и сооружений, силовые элементы быстровозводимых мостов, несущих перекрытий, трубопроводов».

Межотраслевой инжиниринговый центр «Композиты России» – это структурное подразделение МГТУ им. Н.Э. Баумана созданное 15 июня 2011 года для содействия в разработке, производстве и коммерциализации высокотехнологичных решений университета (новые материалы, композиты, нанотехнологии, информационные технологии), формирования научного задела и современных образовательных технологий и программ. Центр реализует «замкнутый цикл» инжиниринговых и научно-образовательных услуг, от разработки до внедрения технологий и промышленной продукции в ключевые сектора экономики РФ, такие как: транспортный, строительный, ЖКХ, энергетический, нефтегазовый, медицинский и IT.

МГТУ им. Н.Э. Баумана - Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана - Первый технический университет в России. Обучение в МВТУ им. Н.Э. Баумана ведется на 19 факультетах дневного обучения. Работает аспирантура и докторантура, два профильных лицея. МВТУ им. Н.Э. Баумана осуществляет подготовку более 19 тысяч студентов практически по всему спектру современного машино- и приборостроения. Научную и учебную работу ведут более 320 докторов и около 2000 кандидатов наук. Всего Университет выпустил около 200 тысяч инженеров. Основными структурными подразделениями университета являются научно-учебные комплексы, имеющие в своем составе факультет и научно-исследовательский институт.

Во время такого метода используются заранее подготовленные наполнители. Благодаря такому методу гарантируется высокая однородность продукции на прочность, и контролируются показатели. Однако качество получаемого изделия зависит в высокой степени от мастерства и опыта рабочих.

Производство изделий из стеклопластика ручным формованием разделено на несколько этапов. Первый этап называется подготовительным, в процессе которого отчищается поверхность матрицы ожидаемого изделия, затем обезжиривается и в конце наносится слой разделительного воска. В конце первого этапа матрица покрывается защитно-декоративным слоем - гелькоутом. Благодаря такому слою формируется наружная поверхность будущего изделия, задается цвет и обеспечивается защита от действия вредных факторов, таких как вода, ультрафиолет и химические реагенты. В основном используют негативные матрицы для производства готового изделия. После того, как высохнет специальный слой гелькоут, можно перейти к последующему этапу, который называется формовка. В процессе этого этапа в матрицу закладывается изначально раскроенный стекломатериал, также можно использовать другой тип наполнителя. Далее идет процесс формирования «скелета» ожидаемого изделия. Затем смола с катализатором, предварительно смешанная, наносится на подготовленный стекломатериал. Смолу необходимо равномерно распределить благодаря кисточкам и мягким валикам по матрице. Последний этап можно назвать прикаткой. Его используют, чтобы удалить из еще не отверделого ламината пузырьки воздуха. Если их не удалить, то это скажется на качестве готового изделия, поэтому ламинат необходимо прикатать жёстким валиком. Когда готовое изделие застыло, его достают из формы и придают механообработке, включающую в себя высверливание отверстий, обрезку излишков стеклопластика по краям и др.

Преимущества такого метода:

существует реальная возможность получить продукт сложной формы и немалого размера с минимальными вложениями;
конструкция изделия поддается легкому изменению, поскольку в изделие вводятся закладные детали и арматура, а цена оснастки и требуемого оборудования достаточно низкая;
чтобы изготовить матрицу используется любой материал, который способен сохранить свои пропорции и форму.

Недостатки такого метода:

существенные затраты ручного труда;
производительность достаточно низкая;
качество изделия будет зависеть от квалификации формовщика;
этот метод подойдет для выпуска мелкосерийной продукции.

2. Напыление.

Для мелкого и среднесерийного производства подойдет именно такой метод. Метод напыления имеет множество достоинств по сравнению с контактным формованием, даже несмотря на то, что предстоят определенные затраты на покупку оборудования для этого метода.

Специальная установка позволяет нанести защитное покрытие и пластик. Благодаря чему не понадобится предварительный раскрой материала и приготовление связующего вещества, вследствие чего резко сокращается часть ручного труда. Специальные установки автоматически производят жёсткий отсчет доз смолы и отвердителя, также они осуществляют рубку ровинга на части необходимых размеров (0,8 - 5 см). После процесса рубки части нити должны попасть в струю связующего и пропитаться во время переноса на матрицу. За счет ручного труда осуществляется уплотнительный процесс для стеклопластика в матрице с помощью прикаточного валика.

Ряд преимуществ при производстве стеклопластика методом напыления:

происходит экономия времени и полезных площадей за счет того, что не надо раскраивать материал и подготавливать связующее вещество;
можно уменьшить количество производственных площадей за счет снижения числа специально подготовленных мест для формовки;
скорость формования изделия увеличивается;
контроль над качеством продукции упрощается;
фонд заработной платы существенно экономится;
за счет того, что ровинг - относительно недорогой материал, то существенно понижается стоимость полученного изделия.

Когда связующее вещество готовится небольшим количеством, то при ручном формовании на инструментах и стенках тары остается до 5% связующего вещества, что довольно неэкономично. Известно, что от мастерства и опыта оператора установки будет зависеть качество полученного продукта. Этот метод использует ту же оснастку, что и во время ручной формовки.

3. Пултрузия.

Технология пултрузии основывается на производстве непрерывным способом профильных изделий из волокнистых пластиков одноосно-ориентированных. Профильное изделие с неизменным поперечным сечением из подходящего материала как раз и можно получить методом пултрузии.

Благодаря специальной пултрузионной машине происходит изготовление профиля из стеклопластика. Такая машина состоит из секции для подачи армирующих материалов, фильера, из секции для пропитки, тянущего агрегата, блока управления нагревательными элементами и из секции для обрезки. Паковку ориентированного волокна лучше укреплять в сухом состоянии и пропитывать полимерной композицией, прокачиваемой через сухую паковку. Благодаря такой технологии в материал не попадет воздух. Излишки смолы стекут обратно в поддон и поступят на рециркуляцию. Ровинг, который используется, как армирующий материал сматывается с бобин в сухом состоянии и собирается в пучок специальным способом. Затем материал поступает в устройство пропитки - это специальная ванна со смолой, где полностью смачивается полиэфирным, эпоксидным или другим связующим. Затем уже пропитанный материал отправляется в нагретую фильеру, задачей которой является сформировать конфигурацию профиля. Затем композиции затвердевает при указанном температурном режиме. В итоге получился профиль из стеклопластика, конфигурация которого повторяет форму фильеры.

Доказано, что изделия, полученные путем пултрузации, по свойствам превосходят детали, выполненные классическими методами формования. Увеличение стоимости такого метода обуславливается рядом преимуществ, которые характерны для этого процесса. К преимуществам можно отнести строгость контроля натяжения и направленность волокна, уменьшение количества пор и удержание неизменного содержания волокна в композите. Очевидно, что даже свойство межслоевого сдвига однозначно улучшается. На данный момент разработано несколько вариантов главного процесса пултрузии, которые интересуют многих и много значат для промышленности. Их преимуществами являются хорошие электрические, физические, химические и тепловые свойства, высокая производительность и отличный допуск по размерам. Для изготовления постоянных пластинчатых и листовых полуфабрикатов как раз и предназначен один из таких методов пултрузии.

Однако каждый метод имеет свои недостатки. Для этого метода характерен такой недостаток, как скорость процесса, которая будет зависеть от температуры и скорости затвердевания связующего. Обычно она невелика для низкотеплостойких полиэфирных смол. Ещё одним недостатком является то, что тяжело предоставить постоянное сечение изделия по длине, за исключением изделий с не особо сложной формой сечения - квадратной, круглой, двутавровой и других. Чтобы получить изделие необходимо использовать только нити или жгуты. Однако за последнее время эти недостатки метода получения профильных изделий помаленьку устранились и применение этого процесса заметно расширилось. Композиция, которая основывается на поливиниловых эфирах и эпоксидных смолах используются в качестве полимерных матриц. Применение таких полимерных матриц на основе полисульфона, полиэфирсульфона и пластифицированного полиимида дает возможность достигнуть скорости формования стержней диаметром около пяти мм со скоростью порядка сто два м/мин.

Чтобы получить сложные армированные профильные изделия, необходимо воспользоваться методом протяжки слоистых материалов, которые состоят из волокнистых матов или тканей. На текущий момент разработаны методы получения трубчатых изделий, которые сочетают в себе намотку спирального слоя и протяжку. Лопасти ветряных двигателей, которые имеют сложный профиль поперечного сечения, можно привести в качестве примера использования материалов, имеющие сложную схему армирования. Уже разработана оснастка для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, которые имеют криволинейную поверхность и непостоянное поперечное сечение.

4. Намотка.

Одним из самых многообещающих методов формования изделий из стеклопластика выступает метод намотки волокном, за счет того, что он создает требуемую структуру наполнителя в фабрикатах в зависимости от их формы и особенностей эксплуатации. Благодаря использованию жгутов, лент, нитей в качестве наполнителей позволяет обеспечить максимальную прочность изделий. Тем более, что такие наполнители являются наиболее дешевыми.

Процесс намотки волокном можно назвать относительно несложным методом, в котором на вращающуюся оправку наматывается армирующий материал в виде постоянного ровинга (жгута) или нити (пряжи). Специальные механизмы следят за углом намотки и нахождением армирующего материала. Эти устройства передвигаются со скоростью, совпадающей с вращением оправки. Материал обертывается вокруг оправки в виде полос, соприкасающихся друг с другом, либо по какому-то специальному рисунку до полного перекрытия оправочной поверхности. Идущие друг за другом слои, могут наноситься под одним углом или под разными углами намотки, пока не наберется требуемая толщина. Угол намотки меняется от очень малого, который имеет название продольного, до большого - окружного. Такое расположение подразумевает 90 0 относительно оси оправки, захватывая все углы спирали этого интервала.

Термореактивная смола служит связующим веществом для армирующего материала. В процессе мокрой намотки смола наносится непосредственно во время самой намотки. Процесс сухой намотки основан на применении ровинга, который предварительно пропитывается смолой в В-стадии. Затвердение осуществляется при увеличенной температуре без лишнего давления. Завершающая стадия процесса основывается на взятии изделия с оправки. По необходимости можно провести отделочные операции: обработку механическим путем или шлифовальный способ. Основной процесс намотки характеризуется множеством вариантов, которые различаются лишь характером намотки, а также особенностями конструкции, сочетанием материалов и разновидностью оборудования. Конструкцию необходимо намотать как на поверхности вращения. Однако существует возможность отформовать изделия и другого вида, например, сжатием еще незатвердевшей намотанной детали внутри закрытой формы.

Конструкция получается похожа на гладкий цилиндр, трубу или тюбинг, диаметр которых получается от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намотка позволяет формовать изделия конической, сферической и геодезической формы. Чтобы получить сосуды высокого давления и резервуары для хранения, в намотку необходимо ввести торцевую заглушку. Есть возможность сформовать изделия, которые будут работать в нестандартных условиях нагружения, например, наружное или внутреннее давление, нагрузки на сжатие или крутящий момент. Термопластичные трубы и сосуды из металла высокого давления укрепляются при намотке наружными бандажами. Полученным изделиям характерна высокая степень точности. Однако существует и другая сторона процесса намотки, для такого процесса характерны меньшие скорости производства. Плюсом является то, что для намотки сгодится абсолютно любой постоянно армирующий материал.

Для процесса намотки можно использовать машины разных типов: от различных токарных станков и машин на основе цепного привода до более сложных компьютеризованных агрегатов, характеризующимися тремя или четырьмя осями движения. Применяются также машины, которые непрерывно производят трубы. Для удобства намотки больших резервуаров должно быть спроектировано портативное оборудование на месте установки.

Основные достоинства метода намотки:

доходный с точки зрения экономики метод укладки материала за счет быстроты процесса;
возможность регулировки соотношения смола/стекло;
малый собственный вес, но при этом высокая прочность;
данный метод не расположен к коррозии и гниению;
относительно недорогие материалы;
хорошая структура ламинатов, за счет того, что профили обладают направленными волокнами, и хорошее содержание стекломатериалов.

5. Прессование.

Процесс прессования состоит в непосредственном придании нужной формы изделию под воздействием высокого давления, которое образуется в пресс-форме при температуре быстрого затвердения материала. Благодаря внешнему давлению в материале, который прессуется, происходит его уплотнение и частичная деструктуризация прежней структуры. Трение между соприкасающимися частичками материала, которое образуется во время уплотнения, вызывает появление тепловой энергии, которая однозначно приведет к плавлению связующего вещества. После того, как материал перейдет в вязкопластичное состояние, он растекается в пресс-форме под действием давления, образуя целостную и уплотненную структуру. Процесс затвердевания основан на протекании реакции сшивки макромолекул благодаря поликонденсации между свободными группами связующего вещества. Для реакции необходимо тепло, в процессе которого происходит выделение низкомолекулярных, летучих веществ таких как, метанол, вода, формальдегид, аммиак и др.

Параметры для технологии прямого прессования:

температура заблаговременного подогрева;
давление прессования;
температура прессования;
временная выдержка под давлением;
параметры подпрессовок;

Давление направленно действует на материал, находящийся в полости формы, при прямом прессовании, поэтому детали формы могут преждевременно износиться. В зависимости от типоразмеров изделия цикл прессования может составлять от 4 до 7 мин. Прямое прессование пластиков для армирования имеет две разновидности, которые зависят от того, как пропитывается волокнистый наполнитель:

Прессуются сухие, предварительно пропитанные холсты и ткани;
Прессуются с пропиткой именно в форме.

Большей популярностью пользуется первый способ. Для выполнения изделий относительно простой формы применяется прямое прессование. Благодаря высоким требованиям, предъявляемых к качеству наружной поверхности детали, были созданы автоматические установки для дозировки компонентов при приготовлении заготовок из препрегов. Спроектированы специальные автоматические манипуляторы, которые загружают пакеты заготовок в многогнездные формы пресса. Поколение новых прессов высокой точности оснащены современными системами контроля, благодаря которым можно получить детали с высококачественной поверхностью, а их стоимость примерно одинакова со стальными деталями.

6. Технология SMC.

Серьёзным препятствием для распространения композиционных материалов является плохое приспосабливание традиционных технологий их выпуска к потребностям современного крупносерийного производства, к тому же полностью автоматизированного. На сегодняшний день композитные детали все-таки остаются «штучным товаром». Дорогой труд опытного персонала вносит высокий вклад в долю стоимости этих материалов. Несмотря на это, за последние годы мы достигли значительного прогресса в подготовке автоматических методов производства композитов. SMC-технология стала одной из самых востребованных разработок.

Конечные изделия по такой технологии подлежат двухстадийному процессу. Первая стадия технологии характеризуется тем, что производится препрег на автоматической конвейерной установке, а уже на второй стадии происходит переработка препрега в стальных пресс-формах в готовые детали. Опишем эти этапы подробнее. Ненасыщенная полиэфирная смола используется в качестве основы для связующего материала. К ее достоинствам относится низкая цена и короткое время отверждения. Армирующим компонентом выступает рубленое стекловолокно, которое хаотично распределяется в объёме листа. Долгое хранение в течение нескольких месяцев при комнатной температуре обеспечено системой отверждения смолы. Химические загустители увеличивают вязкость связующего после того как стекловолокно было пропитано на несколько порядков, благодаря чему улучшается технологичность препрега, а также увеличивается срок его хранения. Минеральные наполнители, которые вводятся в связующее в большом количестве, повышают огнестойкость готовых изделий и, а качество их поверхности заметно улучшается.

Получившийся препрег, подлежит переработке в автоматическом процессе благодаря прессованию в обогреваемых стальных пресс-формах. Эти формы по конструкции похожи на литьевые формы для термопластов. Благодаря рецептуре связующего препрег твердеет при температуре 150 С и давлении 50-80 бар со скоростью ~30 сек/мм толщины. Очень низкая усадка при затвердении является важной особенностью технологии SMC. Благодаря высокому содержанию минерального наполнителя и специальных термопластичных добавок усадка получается величиной до 0,05%. У полученных изделий ударная вязкость составляет 50-100 кДж/м 2 , а разрушительная прочность на изгиб - 120-180 МПа. Экономически целесообразно использовать SMC технологию при получении высококачественных композитных изделий большими партиями от нескольких тысяч до сотен тысяч в месяц. На европейском рынке похожих материалов выпускается сотни тысяч в год. Электроэнергетическая, автомобильная и железнодорожная промышленности являются крупнейшими потребителями этих материалов.

7. Метод RTM (Resin Transfer Moulding).

Метод RTM основывается на пропитке и формовании композитов под давлением, в процессе которого связующее вещество переходит в закрытую матрицу, в которой уже содержится наполнители или преформы. Различные ткани разнообразного переплетения могут выступать как армирующий материал, например, мультиаксиальный или эмульсионный материал, и порошковые стекломаты. Связующим веществом выступает смола, которая гелеобразуется 50-120 мин, имеющая низкую динамическую вязкость. ГОСТ 28593-90 определяет вязкость и время гелеобразования смолы.

Такой метод отлично подойдет для стандартных объёмов 500 -10000 изделий в год. Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм, которые повторяют с двух сторон внешние обводы детали. Конструкции обладают высокотемпературными характеристиками, которые удерживаются точным совмещением закрытых стальных рам, которые поддерживаются в местах зажимов.

Этот метод идеален для производства матриц 0,2м 2 до 100м 2 . Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм. Контур матрица состоит из более легкой и гибкой конструкции. Половинки матрицы соединяются между собой под воздействием вакуума.

Преимущества технологии RTM:

автоматизированное производство, благодаря чему уменьшается случайный характер вмешательства человека;
происходит сокращение и контроль количества используемого сырья;
снижено влияние материла на экологию;
улучшены условия труда;
создаются относительно прочные изделия, за счет лучшей пропитки;
относительно дешевое оборудование.

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

При проектировании, изготовлении и внедрении изделий из композиционных материалов на основе волокнистых наполнителей (ВКМ) не обходимо учитывать ряд особенностей, присущих этому классу материалов:

а) Анизотропия физико-механических характеристик ВКМ.

Если традиционные материалы (сталь, чугун), а также дисперсно-упрочненные КМ обладают изотропностью свойств, то ВКМ имеют ярко выраженную анизотропию характеристик. При значительном различии характеристик волокнистой арматуры и матрицы соотношение между характеристиками ВКМ в различных направлениях может варьироваться в широких пределах: от 3-5 раз до 100 раз и более.

б) При проектировании конструкций, сооружений из традиционных материалов конструктор имеет дело с полуфабрикатами в виде листового, профильного проката, литья и т.д. с гарантированными поставщи ком свойствами. Его задача состоит в выборе подходящих полуфабрикатов, определении геометрии, исходя из функционального назначения, и способов соединения отдельных деталей. Задача технолога - обеспечить заданную форму, размеры и качество соединения конструктивных элементов. Анализ процессов, протекающих на всех этапах создания полуфабриката, получение материала с требуемым уровнем харак теристик относится к компетенции материаловедов. Сложилось временное и организационное разделение процесса получения изделий из традиционных материалов на три этапа:

- материаловедческий - получение материала с требуемыми ха рактеристиками;

- конструкторский - проектирование изделий конструкций;

- технологический - изготовление изделий и машин.

Эти этапы разнесены по времени и могут считаться не связанными между собой, если конструктор руководствуется характеристиками материала, достигнутыми материаловедами, и имеет общие представления об уровне современных технологий.

Изготовление конструкций из КМ происходит, как правило, за одну технологическую операцию с созданием материала. При этом синхронно с изготовлением конструкции протекают сложные физико-химические и теплофизические процессы, связанные с образованием структуры и агрегатными превращениями матрицы, взаимодействием ее с армирующим материалом. Им сопутствуют механические явления, прямо влияющие на свойства материала и несущую способность композитных деталей, на образование в ней дефектов в ненагруженном состоянии. Поэтому конструктор, проектирующий изделия из КМ , должен знать и учитывать при разработке материаловедческие принципы создания КМ и технологические приемы получения изделий из КМ. Технолог без конструкторских знаний по условиям нагружения и эксплуатации создавае мого изделия из ВКМ не может изготовить изделия, эффективно используя отличия КМ от традиционных материалов, т.к. свойства КМ зависят от структурно-геометрических факторов (объемного содержания армирующих волокон и матрицы, количества и расположения слоев и др.), которые заранее не известны. Поэтому подход должен быть кон структорско-технологическим, а это определяет организационные осо бенности производства изделий из КМ .

в) В связи с тесной взаимосвязью этапов изготовления конструк ций из КМ - создание материала, конструкций и технологии получения - более эффективно становится использовать специализированные КБ, имеющие конструкторский и технологический потенциал, оснащенные вычислительной техникой и мощным, но гибким опытным производ ством, потому как все конструктивные решения необходимо отрабаты вать на опытных образцах изделий. Такой поход в организации производства должен быть в каждой отрасли, где КМ находят широкое при менение: в строительстве, на транспорте, в авиации, химическом ма шиностроении, электротехнической промышленности и др., т.к. предъ являемые к ним требования сильно различаются.

г) При конструировании деталей из полимерных КМ необходимо учитывать их недостатки:

Малую сдвиговую прочность;

Невысокие характеристики при сжатии;

Повышенную ползучесть;

Сравнительно низкую теплостойкость ПКМ.

Особое внимание следует уделить соединениям изделий из ПКМ в связи с малой сдвиговой и контактной прочностью.

д) Несмотря на большой интерес к вопросам предельного состояния, надежных методик, позволяющих определить запасы прочности конструкционных элементов из КМ , нет. В связи со сложностью про блем, связанных с прочностью изделий из КМ , возрастает значение выбора методов при обработке результатов экспериментальных испыта ний.

В настоящее время оценка прочности конструкций из КМ состоит из комплекса испытаний, включающих:

100% испытания эксплуатационными нагрузками;

Выборочные испытания с доведением конструкции до разруше ния.

Гарантию качества и успешное прохождение этих двух видов испытаний обеспечивает стабильность технологических процессов.

В последние годы на первый план выходит индивидуальная оценка прочности каждой детали с помощью неразрушающих методов испыта ния - ультразвук, акустическая эмиссия и др.

е) Определение допусков и посадок на детали из КМ .

Т.к. формирование поверхностей в изделиях из КМ происходит различными способами (намотка, прессование, выкладка и т.д.) и они чаще всего не подвергаются механической обработке, то система до пусков и требования к чистоте поверхности должны строится весьма гибко. Аналогичный подход должен быть и к регламентации разброса массы, связанной с разбросом параметров исходных материалов и их соотношением в КМ , появлением в ходе технологического процесса объемов, различающихся по ориентации наполнителя, и т.д.

ж) Переход на КМ при изготовлении машиностроительной продукции затрагивает вопросы детализации узлов машин. Т.к. материал конструируется под конкретные детали, которые в дальнейшем нежелательно подвергать механической обработке, то, естественно, встает вопрос стыковки отдельных деталей. Методы, принятые при изготовлении аналогичных узлов машин из металлов, в данном случае либо ма лоэффективны, либо вообще неприемлемы. В связи с этим целесооб разно изготавливать из КМ целиком узел, ранее расчленяемый на ряд деталей, которые затем собирались в изделие с помощью разъемных или неразъемных соединений. Это направление весьма эффективно, т.к. сокращаются трудозатраты и энергозатраты , хотя сокращение опе раций требует перестройки технологического оборудования и процесса производства.

Например, в США в 1970 г. в массовое производство легковых автомобилей была внедрена передняя панель с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся из листового КМ . Помимо сниже ния массы на 50%, было достигнуто значительное сокращение расхо дов за счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная панель исключила множество операций листовой штамповки, механической обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними штам пы, формы и станочные зажимные приспособления. Она объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением деталей в одну деталь из КМ . В 1979 г. на более чем 35 моделях легковых автомобилей стали применять передние панели из КМ , включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-сигналов, сигналов поворота и габаритных огней.

з) Необходимо изменение подходов к определению экономической эффективности применения КМ . Как правило, экономический эффект от применения КМ образуется у «Потребителя» в виде повышения такти ко-технических, эксплуатационных характеристик изделия, его долговечности, ремонтопригодности и т.п. Поэтому экономический эффект можно определить только при использовании системного подхода, учитывающего все составляющие общего эффекта от замены традицион ного материала на КМ , и перехода на новую технологию при изготовлении деталей или конструкций в целом.

Только индивидуальный подход с учетом указанных особенностей делает переход к использованию КМ взамен металлов эффективным и перспективным, раскрывающим новые горизонты для развития и совершенствования техники.

Классификация композиционных материалов

По типу армирующих наполнителей современные КМ могут быть разделены на две группы:

Дисперсно-упрочненные;

Волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композитные материалы (ДУКМ) представляют собой материалы, в матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы, которые призваны исполнять роль упрочняющей фазы. Дисперсные частицы наполнителя вводят в матрицу специальными технологическими приемами. Частицы не должны активно взаимодействовать с матрицей и не должны растворяться в ней вплоть дотемпературы плавления. В этих материалах основную нагрузку воспринимает матрица, в которой за счет армирующей фазы создается структура, затрудняющая движение дислокаций. Дисперсно-упрочненные КМ - изотропны. Их применяют в авиации, ракетостроении и др. Содержание дисперсной фазы составляет ~5-7% (трубки, проволоки, фольга, прутки и т.п.).

Механизм упрочняющего действия от включения дисперсных частиц в матрице, отличается для разных типов ДУКМ.

1) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель»

Для этого типа материалов матрица может быть представлена, например, следующими металлами: Al , Ag , Cu , Ni , Fe , Co , Ti . В качестве наполнителя чаще всего выбираются соединения из оксидов (Al 2 O 3 ; SiO 2 ; Cr 2 O 3 ; ThO 2 ; TiO 2), карбидов (SiC ; TiC ), нитридов (Si 3 N 4 ; AlN ), боридов (TiB 2 ; CrB 2 ; ZrB 2).

На основании опытных данных могут быть сформулированы следующие требования к материалу наполнителя, обеспечивающие наиболее эффективное его использование в качестве упрочняющей фазы. Он должен обладать:

Высокой тугоплавкостью (t пл . > 1000 ° С);

Высокой твердостью и высоким модулем упругости;

Высокой дисперсностью (удельная поверхность – S уд ≥ 10 м 2 /г);

Должна отсутствовать коалесценция (слияние) дисперсных частиц в процессе получения и эксплуатации;

Должно иметь место низкое значение скорости диффузиидисперсных частиц в металлическую матрицу.

Механизм упрочнения композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» .

Упрочнение идет по дислокационному механизму: если расстояние между частицами достаточно, то дислокация под действием касательного напряжения выгибается между ними, ее участки смыкаются за каждой частицей, образуя вокруг частиц петли. В областях между дислокационными петлями возникает поле упругих напряжений, затрудняющее проталкивание новых дислокаций между частицами (рис. 1). Этим достигается повышение сопротивления зарождению (инициированию) трещины.

Рис. 1. Схематическое изображение процесса формирования дислокационных петель в пластичной матрице:

1 – дисперсные частицы; 2 – линии дислокаций; 3 – дислокационные петли; 4 – поле упругих напряжений;

d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя;

τ – направление действия касательных напряжений.

Получение композиционных материалов «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» .

В общем случае последовательность технологических операций для получения ДУКМ типа «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» является следующей:

а) Получение композитного порошка;

б) Прессование;

в) Спекание;

г) Деформация полуфабриката;

д) Отжиг.

2) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «хрупкая матрица – пластичный наполнитель»

Структура таких ДУКМ представлена керамической матрицей с равномерно распределенными в ней дисперсными металлическими частицами наполнителя. Эти композиты относятся к классу керметов . Расстояние между соседними частицами задается путем варьирования их объемной доли, а эффект от армирования может проявляться при содержании частиц 15-20% объема.

В качестве керамической фазы могут использоваться тугоплавкие оксиды и некоторые тугоплавкие неоксидные соединения: Al 2 O 3 , 3Al 2 O 3 ∙ 2SiO 2 , Cr 2 O 3 , ZrO 2 , ThO 2 , Y 2 O 3 , Si 3 N 4 , TiN , ZrN , BN, ZrB 2 , TiB 2 , NbB 2 , HfB 2 . В качестве металлической фазы – Fe , Co , Ni , Si , Cu , W, Mo , Cr , Nb , Ta , V, Zr , Hf , Ti . Выбор каждой конкретной керметной пары для получения композита обусловлен возможностью создания стабильной границы раздела в результате твердофазного взаимодействия при температуре, не превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкой составляющей пары, либо температуру образования эвтектического расплава.

Механизм торможения разрушения композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» .

Процесс разрушения таких композитов условно можно разделить на две стадии. На первой стадии в ходе нагружения сначала инициируется хрупкое разрушение в матрицевследствие повышенной концентрации напряженийна микронеоднородностях ее структуры: микропорах, границах зерен, крупных неравноосных зернах. При достижении некоторого критического уровня напряжений происходит старт трещины.

На второй стадии распространяющаяся трещина взаимодействует с пластичными металлическими частицами (рис. 2): у ее вершины действуют максимальные напряжения, которые приводят к деформации, удлинению и разрыву металлических частиц. При этом работа разрушения данного композита существенно возрастает по сравнению с таковой характеристикой для неармированного материала. Это происходит за счет затрат энергии трещины на работу пластической деформации всех частиц, попадающих во фронт трещины. В результате сопротивление развитию трещины повышается, поскольку ее берега перекрываются «мостиками связи» из пластичного металла.

Рис. 2. Иллюстрация процесса торможения разрушения в хрупкой матрице:

1 – металлические частицы перед фронтом трещины; 2 – «мостики связи» образованные деформированными

металлическими частицами; 3 – разрушенные металлические частицы; 4 – берега трещины; σ р – растягивающие напряжения

Получение композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» .

Последовательность технологических операций, используемых для получения:

а) Получение композиционной порошковой смеси;

б) Введение в смесь органической связки;

в) Прессование;

г) Удаление органической связки;

д) Спекание;

е) Механическая обработка.

Для обеспечения прессуемости (придания пластичности) смеси порошков компонентов вводят органическую связку путем смешивания с раствором какого-либо органического вещества (поливиниловый спирт, поливинилбутираль , этиленгликоль, каучук и др.) с последующей сушкой для удаления растворителя. В результате выполнения этой операции каждая частица порошковой смеси покрыта тонким слоем пластификатора. Тогда при приложении давления прессования к порошковой смеси, засыпанной в пресс-форму, происходит связывание ее частиц по прослойкам пластификатора. После, путем термообработки изделий в вакууме или в порошковой засыпке из глинозема или сажи, происходит удаление связующего вещества при температуре термодеструкции или сгорания (300 – 400 ° С). После удаления органической связки частицы в объеме изделия удерживаются преимущественно за счет сил трения. Температура спекания композита лимитируется температурой спекания керамической матрицы. Оно проводится в нейтральных газовых средах (аргон, гелий) или в вакууме. В случае необходимости спеченный материал подвергают механической обработке с помощью алмазного инструмента.

Волокнистые КМ можно классифицировать по типу армирующего наполнителя. При их изготовлении в качестве арматуры применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные, органические волокна, металлические проволоки, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и др.

Армирующие материалы используются в виде моноволокон , нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Волокнистые КМ можно различать также по способу армирования: ориентированное и стохастическое (случайное). В первом случае композиты обладают четко выраженной анизотропией свойств; во втором - квизиизотропны . Объемная доля наполнителя в волокнистых КМ составляет 60-70%.

По типу матрицы композиты различают:

Полимерные (ПКМ);

Металлические (МКМ );

Керамические (ККМ);

- углерод-углеродные (УУКМ).

Полимерные композитные материалы – это гетерофазные композиционныематериалы с непрерывной полимерной фазой (матрицей), в которой хаотически или в определенном порядке распределены твердые, жидкие или газообразные наполнители. Эти вещества заполняют часть объема матрицы, сокращая тем самым расход дефицитного или дорогостоящего сырья, и (или) модифицируют композицию, придавая ей нужные качества, обусловленные назначением, особенностями технологических процессов производства и переработки, а также условиями эксплуатации изделий. К ним относятся подавляющее большинство пластмасс , резин, лакокрасочных материалов, полимерных компаундов, клеев и др.

В зависимости от типа полимерной матрицы различают наполненные реактопласты, термопласты (полиэтилен, поливинилхлорид, капрон и др.), синтетические смолы (полиэфирные, эпоксифенольные и др.) и каучуки. В зависимости от типа наполнителя ПКМ делят на дисперсно-наполненные пластики (наполнитель - дисперсные частицы разнообразной формы, в т. ч. измельченное волокно), армированные пластики (содержат упрочняющий наполнитель непрерывной волокнистой структуры), газонаполненные пластмассы, масло-наполненные каучуки; по природе наполнителя наполненные полимеры подразделяют на асбопластики (наполнитель-асбест), графито-пласты (графит), древесные слоистые пластики (древесный шпон), стеклопластики (стекловолокно), углепластики (углеродное волокно), органопластики (химические волокна), боропластики (борное волокно) и др., а также на гибридные, или поливолокнистые пластики (наполнитель-комбинация различных волокон).

По способу изготовления ПКМ можно разделить на полученные: выкладкой, намоткой, пултрузией , прессованием и др.