8.5. Композиційні матеріали

Композитами називають матеріали, основа яких зміцнена армуючими елементами. їх повна назва — композиційні матеріали.

Основу композитів називають матрицею, її виготовляють із металів (найчастіше з АІ, Mg, Ni, Ті та сплавів на їх основі), полімерів, кераміки та інших матеріалів. Матриця надає виробам певної форми І створює монолітний матеріал, а також передає зу­силля, прикладені до виробу, на армівні елементи.

Армуючими елементами є нитковидні кристали, волокна, дротини та дрібні порошки. Ці матеріали повинні мати високу температуру плавлення; малу густину; велику міцність; незначну розчинність в основі-матриці; хімічну стійкість; крім того, вони 385

не повинні виділяти отруйних речовин у процесі виготовлення композитів та в процесі експлуатації виробів з них.

Для армування використовують нитковидні кристали ("ву­са"), металеві дротини (зі сталі, вольфраму, молібдену тощо), во­локна (вуглецеві, борові, скляні, кварцові тощо) та порошки (карбіди, нітриди, бориди й інші трудноплавкі сполуки).

Нитковидні кристали — "вуса" (діаметром від часток до кількох міліметрів і довжиною до кількох сантиметрів), — поки що, не знайшли широкого використання для армування конст­рукційних матеріалів.

Металеві дротини використовують для виробництва компо­зитів на основі металів і кераміки, оскільки їх легко виготовляти і вартість їх порівняно незначна.

Волокна використовують для армування пластмас і металів. Із них виготовляють тканини та трикотаж І вже ними армують ос­нову.

Порошки — це дрібні частинки, розмір яких не перевищує 0,1 мкм. Порошки не повинні вступати у взаємодію з основою композиту. Вміст порошків у композиті становить (0,1…15)%.

Залежно від вибору армуючих матеріалів (волокна, дротини чи порошки) композити поділяють на волокнисті та порошкові.

Композиційні матеріали мають необмежене застосування; у літакобудуванні для виготовлення деталей літаків (обшивки, па­нелей тощо), двигунів (лопаті, компресори, турбіни тощо); у ра­кетобудуванні для виготовлення вузлів апаратів, які в процесі ро­боти нагріваються; в автомобілебудуванні для виготовлення ре­сор, рам, тощо; у добувній промисловості для виготовлення бу­рових доліт тощо.

Застосування композитів забезпечує збільшення потужності двигунів, зменшення металоємності машин, механізмів та облад­нання.

Композити на основі металів. Цей вид композитів ско­рочено називають металокомпозитами. їх основою є метали. Від звичайних металів і сплавів метал око мпозити відрізняються-ме-ханічними властивостями та корозійною стійкістю. Заміна мета­левих сплавів на композити підвищує жорсткість конструкцій за одночасного зниження металоємності.

4. Зміцнення волокнами і дротинами. Міцність волокнистих композитів визначається властивостями волокон, тому міцність і пружність волокон мають бути значно більшими, ніж матриці.

386

Для зміцнення алюмінію, магнію та сплавів на їх основі вико­ристовують борові та вуглецеві волокна, а також волокна з труд-ноплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів, оксидів), які ма­ють значну міцність і пружність.

Часто для армування замість волокон використовують дріт, виготовлений із міцної сталі. Жароміцність нікелевих сплавів підвищують армуванням їх молібденовим І вольфрамовим дро­том. Металеві дротини використовують також тоді, коли треба мати великі тепло- й електропровідність.

Композити на металевій основі мають значну міцність і жароміцність. Волокна в композитах зменшують швидкість поши­рення тріщин, що зароджуються в матриці.

Зміцнення дрібними частинками. Композити зміцнені дрібни­ми частинками називають порошково-зміцненими. їх виготовля­ють з порошкових матеріалів за технологією порошкової мета­лургії. Прикладом таких матеріалів є спечені алюмінієві порош­ки (САП). Вони складаються з різного співвідношення порошків алюмінію й оксиду алюмінію.

Способи отримання металокомпозитів. Вибір способу отри­мання металокомпозитів залежить від фазового стану основи, виду армуючого елемента тощо.

Якщо метал або сплав основи перебуває у твердому стані (у вигляді порошку або фольги, то спосіб отримання металевих композитів називають твердофазним. Суть цього способу отри­мання композитів полягає в тому, що основу (наприклад, алюмінієву фольгу) і армуючі волокна (наприклад, сталеві дроти­ни) пошарове накладають одне на інше, а потім стискають, най­частіше вальцюванням або пресуванням.

У разі рідинного способу основу композиту виготовляють з розплавленого металу чи сплаву. Цим способом армують, напри­клад, магній волокнами вуглецю, бору тощо. Для виготовлення виробів з композитів використовують деякі способи лиття.

Композити на основі полімерів. Такі матері яли скоро­чено називають полиіерокомпозиталш. їх основою є полімери. Для поліпшення властивостей полімерів їх армують волокнами, виготовленими з бору, вуглецю, скла тощо.

Полімерокомпозити та вироби з них у більшості випадків от­римують одночасно. Це зменшує їх собівартість незважаючи на значну вартість полімерів і армівних волокон, а також значну трудомісткість виробництва, 387

Технологія виготовлення виробів із волокнистих полімеро-композитів складається з підготовлення полімеру-основи й армівних волокон; з'єднання волокон з основою; отримання напівпродуктів; ущільнення, твердіння, термічної обробки, спо­собу виготовлення виробів І контролю їх якості.

Полімер-основа може бути твердою або у вигляді розплаву. Як­що полімер-основа перебуває у вигляді розплаву, то волокна намо­чують у полімері, а якщо у твердому стані, то полімер напилюють на волокна. Є інші способи поєднання волокон з основою. Після цих операцій отриману композицію нагрівають для випаровування розчинника і приступають до виконання наступних операцій.

Композити на основі кераміки. Розвиток техніки вимагає дуже міцних і теплостійких конструкційних матеріалів. Метало-композити в більшості випадків не мають достатньої питомої міцності, Полімерокомпозити втрачають міцність під час нагріван­ня до високих температур. Пошуки матеріалів, які задовольнили б вимоги сучасної техніки, привернули увагу вчених до кераміки.

Керамічні матеріали мають високу температуру плавлення, малу густину, значну міцність в процесі випробування на стиск, стійкість до дії агресивних середовищ особливо окиснюючих, то­що. Крім того у природі є великі запаси сировини для їх вироб­ництва. Проте вони не позбавлені недоліків: мають недостатню міцність на розтяг, згин і циклічне навантаження, значну крихкість тощо.

Уведення в кераміку армуючих волокон дає можливість поз­бутися зазначених недоліків та створити композиційні матеріали, які можуть працювати в окиснюючих середовищах до 2000 °С.

Кераміку армують металевими, вуглецевими та іншими во­локнами. Отримані матеріали називають керамікокомпозитами. Керамічні композити отримують в основному порошковою ме­талургією.

В машинобудуванні конструкційні матеріали все більше вико­ристовують пластмаси.

Пластмасами {пластичними масами) називають конст­рукційні матеріали на основі природних або синтетичних велико-молекулярних сполук, що здатні після нагрівання та дії зовнішньої сили набувати заданої форми і зберігати її після охолодження та припинення дії сили.

Пластмаси є важливими конструкційними матеріалами. їх ви­користовують у машино- та приладобудуванні, електро- та

388

радіотехніці, легкій, харчовій І хімічній промисловості, будівниц­тві, медицині тощо.

Таке широке використання пластмас зумовлене їх властивос­тями. Вони легкі, деякі з них мають велику міцність та ко-розієстійкість тощо. Пластмаси мають малу теплопровідність (у 70-200 разів меншу, ніж сталь), тому їх використовують для теп­лоізоляції. Деякі пластмаси мають значну морозо- та теп­лостійкість, наприклад фторопласти можуть витримувати нагрівання за температур від -260 до +260°С. Мають пластмаси також гарні оптичні властивості. Проте пластмаси не позбавлені недоліків. Вони мають малу теплопровідність, незначну твердість, а також швидко "старіються". Вироби з пластмас виготовляють тиском і литтям.

Пластмаси класифікують за певними ознаками.

За складом. Усі пластмаси поділяють на прості та складні.

Прості пластмаси складаються лише з полімерів. Наприклад, поліетилен

Складні пластмаси багатокомпонентні. Вони складаються з полімеру-основи та допоміжних речовин, якими є наповнювачі, пластифікатори, барвники тощо. Допоміжні речовини рівно­мірно розподілені б полімері.

Полімер є основою складної пластмаси. Він визначає її ос­новні властивості.

Допоміжні речовини змінюють властивості полімеру-основи: густину, міцність, електричну провідність і теплопровідність тощо.

Так, наповнювачі збільшують теплостійкість і твердість пластмас, зменшують їх шпаруваті і гігроскопічність, роблять пластмаси легшими. Вони є дешевшими від полімерів, що змен­шує вартість виробів. Вміст наповнювачів у пластмасах стано­вить (40...70)% за масою.

Наповнювачі поділяють на:

• порошкові (деревний порошок, кварцовий порошок, сажа,

графіт тощо);

• волокнисті (скляне, бавовняне та інші волокна);

• листові (папір, тканини — бавовняні, скляні тощо);

• газові (азот, амоніак тощо). Пластифікатори надають полімеру пластичності, водо- та морозостійкості. Вони знижують температуру розм'якшення тер­мопластичних основ, що сприяє формуванню виробів. До склад­них пластмас додають 10-20% за масою пластифікаторів. Роль

389

пластифікаторів виконують, речовини, хімічно інертні до інших складників пластмаси (гліцерин, олеїнова кислота, ефіри тощо).

Барвники надають пластмасам забарвлення. Для цього вико­ристовують органічні та мінеральні речовини, які зберігають за­барвлення як у" процесі формування виробів, так і під час їх ви­користання. У процесі виробництва пластмас використовують інші допоміжні речовини.

Представниками складних пластмас є гетинакс (основа — фе-нолоформальдегідна смола; наповнювач — папір), текстоліт (основа фенолоформальдегідна смола; наповнювач — тканина) тощо.

За реакцією утворення полімерів. За цією ознакою усі пластма­си поділяють на полімеризаційні та поліконденсаційні. Найбільше значення мають полімеризаційні пластмаси...

1. Полімеризаційні пластмаси. Цей вид пластмас отримують полімеризацією, під час якої з молекул мономеру, який містить реакційно-здатний подвійний зв'язок, самохіть або під впливом каталізатора чи багатого на енергію випромінювання утво­рюється полімер. Процес полімеризації проходить без виділення побічних речовин. Із цих пластмас найширше застосовують (відповідно і найбільше виробляють) поліетилен, полістирол, фторопласт, поліакрилатитощо.

а) Поліетилен отримують полімеризацією ети­лену

як за високого тиску (100 МПа) у газовій фазі, так І за низького тиску в розчині:

Поліетилен — це тверда, біла, масна на дотик речовина. її переробляють у вироби такими способами: екструзією (витиску­ванням), литтям під тиском, пресуванням, зварюванням та різан­ням. Виняткові діелектричні властивості поліетилену зумовлюють його широке застосування для виготовлення кабельної ізоляції, а також деталей радіо-, телевізійних та телеграфних установок.

Унаслідок водонепроникності та хімічної стійкості (за темпе­ратур до 60°С він стійкий проти дії соляної, сірчаної, азотної кис­лот, розчинів лугів І багатьох органічних розчинників) з поліети­лену виробляють деталі хімічної апаратури, плівку для зберіган­ня харчових продуктів тощо.

На повітрі поліетилен стійкий за температур від +60 до -60°С. У процесі нагрівання до 300°С поліетилен розплавляється і пере­творюється на газ.

390

б) Полістирол отримують полімери­зацією стиролу

Полістирол водостійкий, має добрі діелектричні властивості І хімічно інертний. Під час витримування у воді протягом 300 год. він вбирає лише 0,05% вологи. Полістирол є прозорим, світло- та морозостійким. Із нього виготовляють деталі радіо- й електроа­паратури, лабораторного посуду. Вироби виготовляють литтям під тиском та екструзією.

Недоліком полістиролу є мала теплостійкість.

в) Фторопласты — похідні етилену , де всі атоми водню замінені галогенами (хлором або фтором). У разі заміни водню фтором утворюється сполука, яку називають тетрафто-ретиленом. Полімеризуючи тетрафторетилен, отриму­ють політетрафторетилен:

У техніці політетрафторетилен називають фторопласт-4. Це білий порошок, який у процесі нагрівання не розм'якшується, а за температури 327°С спікається й переходить із кришталевого в аморфний; у разі подальшого нагрівання залишається твердим до температури 415°С, після чого розкладається. Фторопласт-4 не змочується водою, має добрі діелектричні властивості, а за хімічною стійкістю перевищує навіть благородні метали.

Вироби з порошку фторопласту-4 виготовляють холодним пресуванням, вальцюванням, потім спікають за температури ~375°С. Деталі з фторопласту-4 можна склеювати та зварювати. Із фторопласту-4 виготовляють деталі для електро- та радіотех­ніки, хімічної апаратури; ним ізолюють великочастотні кабелі, які працюють за підвищених температур,

Якщо в етилені три атоми водню замінити атомами фтору, а четвертий — атомом хлору, то отримаємо сполуку трифторхло-ретилен . Полімеризуючи що сполуку, отримують, політрифтор-хлоретилен, який називають фторопласт-3:

Вироби із фторопласту-3 на вигляд подібні до напівпрозоро­го рогового матеріалу.

Фторопласти мають гарні діелектричні властивості. Вони тепло-, морозо- та хімічно стійкі. Незважаючи на значну собівартість їх широко використовують у ракето-, авіа- та судно-

391

будуванні, хімічному машинобудуванні, приладобудуванні, для захисту металевих виробів від корозії тощо,

г). Поліакріїлати. До цієї групи пластмас належать полімери на основі акрилової кислоти та її похідних. Найбільшого значен­ня набув поліметилметакрилат (органічне скло).