Борные и другие высокопрочные высокомодульные армирующие волокна (стр. 4 )

Препреги длиной 305 м, свернутые в рулоны, доставляются потребителю при температуре сухого льда или при другом искусственном охлаждении, что позволяет избежать потерь.

Эпоксидные композиты используются в основном при температуре 177 °С, которая наиболее часто встречается при применении КМ в самолетостроении, либо при 121 °С, характерной для низкотемпературных применений этих материалов. В состав некоторых связующих вводят специальные консерванты, чтобы эти связующие могли быть достаточно долго жизнеспособны при комнатной температуре. На сегодня достигнута продолжительность хранения в течение многих недель. Бороэпоксидные препреги могут храниться при –18 °С в течение нескольких лет без потери свойств.

Существуют два метода нанесения связующего на волокна.

1.  Непосредственное нанесение связующего при пропускании волокна через пропитывающие валки («плюсование»). На волокно наносится либо расплав связующего, либо раствор при пониженной температуре. В последнем случае включается еще процесс удаления растворителя.

2.  Перенос связующего со специальной бумаги на волокна после раскладчика. Такая система требует превентивного или одновременного приготовления пленки связующего.

Бороэпоксидные маты создают методом параллельной укладки исходных лент шириной 152 мм. Выкладка происходит на заранее подготовленный холст шириной 1220 мм.

Изделия получают различными методами в зависимости от конфигурации и размеров. Полые изделия, имеющие форму тел вращения, формуют, наматывая на оправку требуемое число слоев борных волокон, покрытых связующим, распределяя их по слоям, затем идет фиксация поверхности отверждением.

Изделия сложной конфигурации – в форме укладывают волокна с заданной ориентацией, заполняют пустоты связующим под давлением – метод гидровакуумного формования.

Метод прессования – пакет материала из покрытых смолой волокон уплотняют и отверждают. Верхний предел давления прессования ограничивается хрупкостью и толщиной борных волокон и абразивным износом формующей поверхности металлической формы.

Хрупкость борных волокон так велика, что они разрушаются при огибании стержня диаметром 6.2 мм. Следовательно, диаметр оправки должен быть больше 120-150 мм. Но борное волокно, намотанное на стержень диаметром 30 мм, не разрушается 2000 часов. Механическая обработка борных волокон требует применения инструментов из твердых сплавов или лазерного луча.

Свойства КМ с органическими связующими

Боропластики

Большинство структур из бороволокон, используемых при создании композитов, имеют вид лент и матов-шириной 6,4 - 122 мм. Наиболее часто для создания препрегов с борными волокнами используются эпоксидные связующие, отверждающиеся при температуре 177°С.

Формование панелей и профилей производят методом автоклавного прессования при избыточном давлении 345-586 Па. Частичное снижение прочности и жесткости материала происходит за счет ухудшения свойств самого волокна и нарушения ориентации волокна в слоях. Несмотря на то что в эпоксиборопластиках может быть применена любая ориентация слоев, наиболее часто используемой является композиция с ориентацией армирующей компоненты 0, ±45, 90°.

Применение борных волокон

Высокие механические свойства борных волокон, полученных методом осаждения бора, привлекли к этим волокнам внимание многих конструкторов. В результате борные волокна получили широкое распространение: в авиации, ракетной технике из-за большой удельной прочности и жесткости. При изготовлении балок, панелей, роторов компрессоров. Применяются в компрессорах газотурбинных двигателей, что приводит к уменьшению массы лопаток на 25-40 %, диска ротора – на 10-15 %, число оборотов двигателя увеличивается в 1.4 раза, к. п.д. больше на 3-5 %, расход топлива меньше на 10-15 %. Прочность труб из борных волокнитов 200-225 кГ/мм2, а из стекловолокнитов 144 кГ/мм2.

Их применение в сочетании с алюминиевой матрицей в самолетостроении способствовало снижению массы различных узлов военных и гражданских самолетов. В то же время с использованием этих волокон удалось создать очень качественный спортивный инвентарь: удобные и прочные ракетки для «большого» тенниса, клюшки для гольфа и т. д. Борные волокна применимы в боевых самолетах марки М4, F-15. В обоих случаях бороэпоксидные слоистые пластики наклеивали на титан, а затем на хвостовое оперение, образовывая обшивку горизонтальных стабилизаторов для F-14, горизонтальных и вертикальных стабилизаторов, а также рулей F-15. Частично боропластики использовались в конструкциях самолета так же, как углепластики, снижая, в то же время, стоимость конструкции. Например,, в хвостовом оперении самолета «Мираж-2000» использованы бороуглеродные гибридные композиционные материалы. В этом случае реализуются высокие жесткость и прочность борных волокон с осью армирования +45°, в то время как углеродные волокна хорошо выдерживают нагрузки на кручение и в различных арочных конструкциях. Вторым примером может служить применение бороволокон в горизонтальных и вертикальных стабилизаторах бомбардировщика В-1. Применение борных волокон улучшает усталостные свойства металлических компонент конструкций. Для этого, вместо того, чтобы ставить металлические прокладки для болтовых соединений (что вредит конструкции), эпоксиборопластики полностью соединяют с металлической поверхностью. Высокопрочные высокомодульные слои боропластика снижают уровень напряжений, приходящийся на основную металлическую конструкцию. В самолетах МП и «Аэр Мачи» (ВВС Австралии) уже сегодня используют эпоксиборопластиковые накладки, повышающие срок службы различных важных конструкций. Первое удачное использование бороалюминиевых композиций было осуществлено при создании фюзеляжа для космического корабля «Шаттл». Это трубы с высокой степенью армирования и диффузными связывающими слоями между матрицей и армирующей компонентой. Они изготовлялись единым процессом с установкой титановых соединительных муфт методом одноразового формования под высоким изостатическим давлением. Трубы диаметром 5,08 и 10,16 см собирались в батарею и располагались в нижней секции фюзеляжа «Шаттл». В будущем бороалюминиевые композиты могут найти применение в самолетостроении при создании лопастей винтов при наличии надежной защиты от повреждения их посторонними предметами. В дальнейшем возможно создание композита как из В4С, так и из SiC-волокна методом литья, а также методом прямого прессования.

В промышленности бороалюминиевые композиты не имеют пока широкого применения из-за высокой стоимости. Но с развитием производства волокон из В4С и SiC, если учесть невысокую стоимость матрицы, цена конечного продукта может быть снижена. За последние два года, фирма «Авко» изготовила бороалюминиевый велосипед, уменьшив массу его на 40 % по сравнению с исходной. При снижении стоимости процесса изготовления такие велосипеды будут пользоваться, по-видимому, большим спросом.

В противоположность бороалюминиевым композитам эпоксиборопластики пользуются большим спросом. Удилища и теннисные ракетки при включении в их конструкцию небольших армирующих структур из борного волокна становятся существенно более прочными и «чувствительными». Особенно ценятся динамические свойства удилищ с эпоксиборопластиком. Теннисные ракетки, в обод которых включен эпоксиборопластик (по сравнению с деревянными и стеклопластиковыми), в меру гибки и не приводят к травме руки спортсмена.

В дальнейшем широкое промышленное применение смогут найти и-другие волокна, полученные методом осаждения (борные или дешевые SiC) с эпоксидными связующими. В случае, когда при малом количестве добавок высокопрочных (высокомодульных) волокон, КМ могут быть экономически выгодны, такие волокна могут быть включены в гибридные материалы. Эти волокна перспективны для композитов с металлической матрицей, сфера применения которых смещается в область средних и высоких температур эксплуатации. Применение лопастей винтов в самолетостроении или лопаток турбин из композитов, армированных SiC-волокнами, обеспечивает лучшие свойства и защиту этих узлов от посторонних предметов. Композиты типа В4С-алюминий и SiC — алюминий привлекательны тем, что могут быть использованы для отливки или прессования деталей конструкций самолетов с температурой эксплуатации 204 ... 260 °С.