CC BY
662
УДК 678 А. Ю. ПОПОВ
К. К. ГОСИНА И. В. ПЕТРОВ А. Е. МАКАРОВА Д. Г. БАЛОВА А. В. ПЕПЕЛЯЕВ
Омский государственный технический университет
КЛАССИФИКАЦИЯ, СОСТАВ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье представлена классификация и актуальность применения полимеров и композитных материалов, методы их получения и преимущества по механическим характеристикам. Более детально разобраны композитные материалы на примере углепластиков, а именно, их виды, применение и краткое описание представлены в статье. Также прилагаются таблицы и рисунки с детальным описанием технических характеристик волокон карбона и видами плетения полотна углепластика.
Ключевые слова: полимеры, композитные материалы, карбон, углепластик, углеродное волокно.
Двадцать первый век с легкостью можно назвать веком полимеров и композитных материалов.
Композитными называют материалы, созданные искусственно и представляющие собой неоднородный сплошной материал, полученный из двух или более компонентов.
Один компонент (матрица) образует непрерывную фазу, другой же является наполнителем. Композитные материалы могут быть разделены на три основных вида:
— матричные системы, состоящие из непрерывной фазы (матрицы) и дисперсной фазы (дискретных частиц);
— композиции с волокнистыми наполнителями;
— композиции, имеющие взаимопроникающую структуру двух или более непрерывных фаз.
Получение таких свойств, как повышенная жесткость, прочность, стабильность размеров, повышенная работа разрушения и ударная прочность, повышенная теплостойкость, пониженная газо-и паропроницаемость, регулируемые электрические свойства, возможно достигнуть только изменением морфологии и прочности сцепления между фазами [1].
Матрица композитного материала может быть металлической, керамической, углеродной. Наполнитель представлен в виде частиц и волокон, обладающих существенно более высокими физико-механическими свойствами, чем матрица. Частицы называют дисперсным наполнителем, они имеют неопределенную, кубическую, шарообразную или чешуйчатую форму с размерами от долей миллиметра до микронных и наноразмерных величин. Инертный наполнитель практически не изменяет
свойства композиции. Активный наполнитель существенно изменяет свойства композиции. Например, волокна имеют упругопрочностные характеристики, которые на два порядка выше свойств матрицы. Они могут быть непрерывными и короткими. Диаметр тонких волокон 5—15 мкм, толстых (борных или карбидокремниевых) — 60—100 мкм. Длина коротких волокон от 1—2 до 20 — 50 мм. Название композитов отвечает природе волокон: стекло-, угле-, органо-, борпластики и др. Для гибридных вариантов — стеклоуглепластики, органоборопластики и пр. [2].
Более детально хотелось бы остановиться на обзоре углепластика.
Углепластик — это композитный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer (рис. 1).
Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.
Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но, благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности. На сегодняшний день углепластикам нашли применение в таких отраслях, как самолетостроение, машиностроение, а также для изготовления бытовой и медицинской техники.
Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки
Таблица 1
Технические характеристики волокон карбона
Волокно (проволока) р, кг/м3 Т °С ТПЛ' С аВ, МПа аВ/р, МПа/кг*м3
Алюминий 2687 660 620 2300
Асбест 2493 1521 1380 5500
Бериллий 1856 1284 1310 7100
Карбид бериллия 2438 2093 1030 4200
Углерод 1413 3700 2760 157
Стекло Е 2548 1316 3450 136
Стекло 8 2493 1650 4820 194
Графит 1496 3650 2760 184
Молибден 0166 2610 1380 14
Полиамид 1136 249 827 73
Полиэфир 1385 248 689 49
Сталь 7811 1621 4130 53
Титан 4709 1668 1930 41
Вольфрам 19252 3410 4270 22
эпоксидной смолой позволяют формовать карбоно-вые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флек-сопечать [3].
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика, — углеродные волокна толщиной 0,005 — 0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют высокую хрупкость на изгиб, то есть они очень изотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправданно только в виде полотна.
Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м3 до 2000 кг/м3.
Для углеродных волокон основными механическими характеристиками являются предел прочности на растяжение ав и предел прочности на единицу объема, а также модуль упругости, определяющий эластичность и способность работать на изгиб [4].
Углеродные волокна обладают уникальными механическими характеристиками по сравнению с армирующими металлическими, стекловолокном и полимерными волокнами [5] (табл. 1).
Существует взаимосвязь — чем выше предел прочности, тем ниже модуль упругости. Поэтому при подборе материала очень важно найти оптимальный баланс между этими характеристиками, подбирая слои, направление волокна, метод плетения и плотность.
Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигни-новых, вискозных) при температуре 250 °С в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом нить после обугливания [6] (рис. 2).
После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °С для выстраивания структур, подобных молекулам графита.
Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °С.
Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99 % [7].
Рис. 2. Нить углерода под микроскопом после обугливания
Рис. 3. Волокна углерода, представленные в виде нитей на бобинах
Рис. 4. Виды плетения полотна углепластика и его технические характеристики
Волокна углерода представлены в широком ассортименте, они могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD) [8] (рис. 3).
Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric. Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона (рис. 4).
В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно
укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа содержится 3 — 4 слоя [9].
Достоинства и недостатки карбона. Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкой и многоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
— легче стали на 40 %, легче алюминия на 20 % (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3);
— карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки;
— высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 °С;
— обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью;
— коррозионная стойкость;
— высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости;
— эстетичность и декоративность.
Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна углеводородные детали имеют недостатки:
— чувствительность к точечным ударам;
— сложность реставрации при сколах и царапинах;
— выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью;
— длительный процесс изготовления;
— в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна;
— сложность утилизации и повторного использования.
Библиографический список
1. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев [и др.] ; под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнополь-ского. — М. : Машиностроение, 1990. — 512 с.
2. Обработка материалов с применением инструмента / Под ред. В. П. Смоленцева. — М. : Высш. шк.; 1983. —247 с.
3. Кристенсен, Р. М. Введение в механику композитов / Р. М. Кристенсен. — М. : Мир, 1990. — 336 с.
4. Солнцев, Ю. П. Специальные материалы в машиностроении : учеб. для вузов / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин, В. Ю. Пирайнен. — М. : Химиздат, 2014. — 638 с.
5. Титов, Ю. В. Получение ультрадисперсного порошка механическим методом с применением жидкого азота / А. Г. Кисель, А. Ю. Попов, Д. С. Реченко, В. Р. Титов, Ю. В. Титов // Нанотехника. — 2014. — № 1 (37). — С. 73 — 74.
6. Пат. 030364 РФ, МПК В22Б 31/00. Устройство для получения металлических порошков / Д. С. Реченко, А. Ю. Попов,
Р. У. Каменов, К. К. Госина, Ю. В. Титов ; заявитель Реченко Д. С., Титов Ю. В. ; патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № ГР 2014119229/02 ; заявл. 13.05.2014 ; опубл. 10.10.14, Бюл. № 28. - 3 с.
7. Реченко, Д. С. Технология высокоскоростного затачивания твердосплавных инструментов : моногр. / Д. С. Реченко, А. Ю. Попов. - Старый Оскол : ТНТ, 2015. - 160 с.
8. Создание твердосплавного инструмента сверхскоростным шлифованием для суперфинишной лезвийной обработки / Д. С. Реченко [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2015. - № 2 (140). -С. 92-94.
9. Rechenko, D. Technology high-speed sharpening carbide tools / D. Rechenko, Y. Titov, D. Balova // Machines, technologies, materials. - Bulgaria, Sofia, 2015. - Year IX, Issue 12. - P. 46-48.
ПОПОВ Андрей Юрьевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой металлорежущих станков и инструментов. ГОСИНА Ксения Коблановна, студентка гр. КТО-124 машиностроительного института. ПЕТРОВ Игорь Вадимович, магистрант гр. КТОм-152 факультета элитного образования и магистратуры.
МАКАРОВА Анастасия Евгеньевна, студентка гр. КТО-134 машиностроительного института. БАЛОВА Дарья Георгиевна, магистрант гр. КТОм-141 факультета элитного образования и магистратуры.
ПЕПЕЛЯЕВ Алексей Вениаминович, кандидат технических наук, доцент военной кафедры. Адрес для переписки: gosina_ksenia@mail.ru
Статья поступила в редакцию 16.09.2015 г. © А. Ю. Попов, К. К. Госина, И. В. Петров, А. Е. Макарова, Д. Г. Балова, А. В. Пепеляев
Книжная полка
621.7/В75
Воронцов, А. Л. Теория и расчеты процессов обработки металлов давлением : учеб. пособие для вузов по направлению 150700 «Машиностроение». В 2 т. Т. 2 / А. Л. Воронцов. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2014. - 441 с.
Во втором томе учебного пособия рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований комбинированного выдавливания, радиального выдавливания, выдавливания с комбинированным нагружением, осадки, высадки, прошивки с утонением стенки, контурной осадки, калибровки, закрытой объемной штамповки, чеканки, формовки, секционной штамповки, дорнования, а также специальные операции гибки волокнистых композиционных материалов, сжатия порошковых заготовок в закрытой матрице и осадки малопластичных материалов в оболочках. Приведены формулы и методы расчета и методы расчета основных технологических параметров различных способов волочения труб и прутков. Изложен метод функции напряжений. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых автором в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Для студентов, обучающихся по направлению «Машиностроение», аспирантов и преподавателей, а также инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в области обработки металлов давлением.
