8.2. Углепластики

Углепластики (УП) содержат в качестве наполнителя углеродные волокна.

В зависимости от вида армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров УП подразделяются на три группы: углеволокниты на основе непрерывных ориентированных нитей, жгутов; углетекстолиты на основе тканых лент и тканей различных текстурных форм; углепрессволокниты на основе дискретных волокон.

УП обладают высокой прочностью и жесткостью, низкой плотностью, химической инертностью, тепло - и электропроводностью, высокой усталостной прочностью, низким коэффициентом линейного термического расширения.

Углеродные волокна (УВ) получают термической деструкцией в инертной среде или вакууме органических волокон, волокон нефтяных и каменноугольных пеков, фенольных смол и других углеродсодержащих исходных веществ. УВ получают только из волокнистых полимеров, не плавящихся при термообработке, обеспечивающих высокий выход углерода и необходимые механические и другие свойства.

Для получения УВ используются полиакрилонитрильные (ПАН-В) и гидратцеллюлозные (вискозные ГЦ-В) волокна. Преимуществами ПАН-В по сравнению с ГЦ-В являются большой выход углерода (около 40 % массы полимера) и менее сложная технология. ГЦ-В значительно дешевле и доступнее ПАН-В.

Процесс получения волокон включает высокотемпературную обработку (карбонизацию и графитизацию) органических волокон.

Карбонизация осуществляется в интервале температур 900 - 2000°С (содержание углерода 80 – 99 %), а графитизация проводится при температурах до 3000°С (содержание углерода выше 99 %). Для получения УВ высокого качества карбонизация и графитизация проводятся с одновременным вытягиванием волокон на выходе из фильер, что способствует совершенствованию структуры и повышению их механических свойств.

Благодаря высокой устойчивости к действию химически агрессивных сред УП применяются для изготовления реакторов, трубопроводов, лопастей насосов, выхлопных труб и т.п.

Перспективным направлением является применение углепластиков в автомобилестроении. Углепластики гораздо легче сталей и алюминиевых сплавов, имеют высокие аэродинамические свойства (блестящую гладкую поверхность), их использование позволяет уменьшить мощность двигателей и расход топлива. Сдерживающим фактором широкого использования углепластиков в серийном производстве является способность деталей при ударных нагрузках рассыпаться на осколки с острыми краями. К настоящему времени применение углепластиков ограничивается конструкциями суперкаров и гоночных автомобилей.

8.3. Органопластики

Органопластики (ОП) – композиционные материалы на основе полимерных матриц, армированных химическими волокнами. ОП отличаются от типичных армированных пластиков полимерной природой обоих компонентов – волокна и матрицы.

В зависимости от природы, структуры и уровня свойств волокнистого армирующего наполнителя ОП делятся на две группы:

– органопластики на основе волокон, характеризующихся сравнительно невысокими прочностными свойствами (полиамидные, полиакрилонитрильные, полипропиленовые и др.);

– органопластики на основе высокопрочных, высокомодульных, теплостойких и огнестойких волокон из ароматических полиамидов (арамидных).

В качестве армирующих наполнителей в производстве ОП наиболее широко применяются арамидные волокна марок: СВМ, ВМН- 88, Армос, Кевлар, Номекс, Фенилон, Русар, Терлон и др. Основные направления практического использования арамидных волокон: шинный корд – 27 %, тормозные колодки – 24 %, транспортные ленты, приводные ремни – 8 %, органопластики – 10 % и 30 % – прочее. Применение арамидных волокон в качестве шинного корда позволяет получить ряд преимуществ: снижение веса, повышение устойчивости при высоких скоростях качения, меньшее выделение тепла при пробеге, обеспечение надежности и долговечности. Например, прочность корда из волокон типа Кевлар в 2 раза выше стеклянного и в 5 раз – стального. Арамидные волокна перспективны в качестве армирующих компонентов для материалов триботехнического назначения, особенно для замены асбеста во фрикционных материалах (тормозные колодки грузовых автомобилей).

Для изготовления ОП применяют волокнистые армирующие наполнители различных структур: однонаправленные наполнители в виде комплексных нитей, жгутов, лент; слоистые наполнители тканой структуры; нетканые материалы из нитей и жгутов; объемные структуры (тканые соты, многослойные ткани); изотропные объемные структуры (холсты, маты). Эффективно также применение различных комбинированных тканей, получаемых путем сочетания арамидных нитей со стеклянными или углеродными волокнами в различных соотношениях.

В таблице 8.2 в качестве примера приведены сравнительные свойства некоторых видов волокон.

Таблица 8.2.