12.2. Боропластики

Боропластики − армовані борними волокнами композити на основі термореактивних і термопластичних зв’язувальних −. є конструкційними матеріалами, використовуваними переважно в авіаційній та космічній техніці. Для боропластиків притаманні високі значення модуля пружності, втомної міцності та інших механічних властивостей, мала повзучість у напрямку орієнтації ниток (до 0,2 %), стійкість к тривалій дії води, мастильних матеріалів, атмосферних факторів.

Наповнювач використовують у вигляді мононитки (Ø 90−200 мкм, σ_р 2500−4000 МПа, модуль пружності 280−420 ГПа), джгутів з декількох таких ниток, оплетених допоміжною скляною або полімерною нитками, а також тканин і стрічок, у яких борні нитки або джгути переплетені з іншими нитками.

Борні волокна можуть бути отримані осадженням кристалічного бора з газової фази на вольфрамоі або вуглецеві волокна підчас відновлення воднем галогенідів бора за схемою:

2BCl₃ + 3H2 → 2B + 6HCl,

або раскладанням диборану В₂Н₆ при 1000-1500 ºС. Зазвичай діаметр вольфрамового волокна 12,5 мкм; а діаметр боровольфрамових волокон – 100, 140 і 200 мм. Діаметр боровуглецевих волокон − до 120 мкм. За цим тільки приблизно 2% BCl₃ розкладається з осадженням бора на основу. Непрореагований BCl₃ конденсують при температурі мінус 80° С, HCl відокремлюють від H₂, а водень або випускають в атмосферу, або повертають у технологічний цикл. Для одержання високоякісного волокна потрібно дуже точно дотримуватись температури у реакторі: для вольфрамової основи − 1350° С; а вуглецевого волокна − 1300-1350° С. Продуктивність діючих установок невелика – приблизно 130 гр. бору на добу.

Більшість борних волокон для ВКМ випускають у вигляді безперервних ниток або матів, просочених епоксидними зв’язувальними. Безперервні бороепоксидні препреги виготовляють у вигляді стрічок або листів завширшки 0,064, 0,076, 0,152 або 0,219 м. Борні волокна, орієнтовані уздовж осі препрегів, складають звичайно близько 50% об’єму стрічок. Типова щільність укладання становить 78,7 моноволокон на 1 см. Масова частка зв’язувального складає 30−35 %. Просочені стрічки перекладаються шарами тонких скляних полотен. Це запобігає бічному злипанню при викладенні, а також дозволяє зберігати паралельне положення борних волокон при створенні ВКМ. Бороепоксидні препреги можуть зберігатися при температурі мінус 18 °С протягом декількох років без втрати властивостей. Формування панелей і профілів здійснюють методом контактного пресування при надлишковому тиску 345−586 Па. Часткове зниження міцності й твердості матеріалу відбувається за рахунок погіршення властивостей самого волокна й порушення волокна в шарах. Найчастіше використовуються композиції з орієнтацією армувальної компоненти 0 ± 45 і 90°.

12.3. Базальтопластики

Одним із альтернативних шляхів покращання споживчих характеристик композиційних матеріалів є використання для армування полімерів базальтових волокон. До переваг базальтових волокон, у першу чергу, належить досить проста технологія їх виробництва, доступність сировини. Базальтові волокна отримують одностадійним способом. Це дає можливість спростити технологічний процес у цілому.

Базальтові волокна мають ряд переваг у порівнянні зі скляними волокнами. Як свідчать дані табл.12.1, базальтові волокна за рядом властивостей перевищують скляні волокна.

Таблиця 12.1. Порівняльна характеристика скляних і базальтових волокон

Волокно	Міцність при розтягу, МПа	Модуль пружності, ГПа	Гігроскопічність, %	Гранична температура застосування, ^0С
Скляне алюмоборосилікатне	1750− 2150	70,65	1,0	500
Базальтове (Берестовецьке родовище, Україна)	1750− 1950	113,80	0,5	650
Базальтове (Марнеульське родовище, Грузія)	1850− 2050	93,20	0,5	650
Базальтове із піроксенового порфіриту (Хавчозірське родовище)	1850− 2150	96,15	0,5	700

Базальтові волокна більш ефективні, ніж скляні, у виготовленні нетканих армувальних матеріалів. Їх використовують у вигляді однонаправлених волокон, джгута, рулонних нетканих матеріалів, жорстких і м’яких полотен із рубаних ниток та ін. Хімічний склад скляних і базальтових волокон наведений у табл. 12.2.

Відомо, що властивості мінеральних волокон в основному визначаються хімічним складом умовами формування і тепловими режимами подальших стадій виробництва, діаметром елементарного волокна, складом покриття їх поверхні. Порівняння хімічного складу скляних і базальтових волокон показує, що базальтові волокна містять компоненти, які зазвичай вводяться у склад стекол спеціального призначення. Так, додавання Al₂O₃ збільшує в’язкість розплаву і хімічну стійкість; FeО і Fe₂O₃ змінюють параметри плавлення, впливають на теплопровідність; оксиди кальцію, магнію і титану підвищують водостійкість і стійкість до агресивних середовищ. Базальтові волокна найбільш широко використовують для армуваня термореактивних полімерних матеріалів, також їх можна застосовувати замість скляних волокон при армуванні термопластичних полімерних матеріалів.

Таблиця 12.2. Склад скляних і базальтових волокон

Волокна	Масовий вміст, %
	SiО2	Al2O3	Fe2O3	CaО	MgО	B2O3	Na2O	K2O	TiО2	FeО
Скляні:
А	72,00	0,60	−	10,00	2,50	−	14,20	−	−	−
Д	74,50	0,30	сліди	0,50	−	22,00	1,00	1,50	−	−
Е	54,00	14,00	0,20	17,50	4,50	8,00	−	0,50	−	−
Базальтові:
Марнеульське родовище	52,00	17,73	2,82	8,75	5,30	−	3,78	1,08	1,54	6,34
Берестовецьке родовище	51,03	15,16	6,19	8,97	5,42	−	2,22	0,91	2,75	7,67