КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Композиционные материалы являются гетерофазными системами, состоящими из волокнистого или дисперсного наполнителя и полимерного связующего.
В качестве связующих армированных пластиков используют термореактивные и термопластичные полимеры. Описание свойств и назначения полимерных матриц различного типа представлены в главе 2.
В качестве наполнителей, в зависимости от их действия, могут выступать волокна, нити, жгуты, ткани различной структуры – для армирования, и сажа, мел, каолин и другие – как технологические наполнители. Описание свойств и назначения наполнителей различного типа представлены в главе 3.
Прочностные и особые характеристики армированных пластиков определяются свойствами волокнистых наполнителей. В таких материалах изменяется роль полимерной матрицы. Назначение полимерного связующего становится равномерная передача внешнего воздействия на все волокна, составляющие материал.
В зависимости от вида применяемых армирующих наполнителей различают армирование однонаправленное, образованное наполнителем в виде непрерывных волокон, нитей, жгутов, ориентированных в одном направлении. Армирование в двух направлениях (в плоскости) достигается укладкой тканых наполнителей, а также однонаправленных с послойным изменением направления укладки на перпендикулярное. Армирование в двух направлениях является наиболее распространенным. Использование коротковолокнистых армирующих и дисперсных наполнителей приводит к образованию квазиизотропной структуры с хаотическим расположением наполнителя в объеме или в плоскости.
Особенности технологии композиционных материалов определяются тем, что в большинстве случаев, за исключением производства листовых и литьевых материалов, получение армированного пластика технологически совпадает с производством изделий из него. Качество пропитки наполнителя связующим в решающей мере определяет свойства получаемого материала и изделия.
Общие рекомендации по составу, режимам изготовления и областям применения композиционных материалов на основе различных полимерных матриц и наполнителей приведены в табл. 53 и 54.
Таблица 53
Рекомендации по применению различных типов марок пластмасс с улучшенными механическими свойствами
Тип марки | Характеристика изделий | Примеры применения | Области применения | Полимеры |
Наполненные стекловолокном (введение стекловолокна) | Изделия с повышенной механической прочностью, жесткостью, стойкостью к ползучести, усталостной прочностью, твердостью, теплостойкостью, высокой точностью и стабильностью размеров. | Изделия, работающие под нагрузкой и при повышенных температурах, различного рода корпуса, кожухи, панели, рамы, решетки, опоры, лопасти, зубчатые колеса, катушки, бобины, шкивы, втулки, шпули, роторы, детали машин, оптических приборов, систем охлаждения, цоколи ламп, переключатели, тумблеры, ручки, крепеж, элементы мебели, облицовка и др. Для замены цветных металлов (алюминия, цинка и др.). | Электротехника, электроника, автомобильная промышленность, машиностроение, судостроение, приборы бытового назначения. | ПБТФ, ПЭТФ, ПА6, ПА66, ПК, ПА12, ПП |
Наполненные углеродными волокнами (введение углеродного волокна) | Изделия с особо высокой жесткостью, стойкостью к ползучести, высокой механической прочностью, усталостной прочностью, теплостойкостью, высокой точностью и стабильностью размеров. Трущиеся детали для которых очень важны легкость, механическая прочность и жесткость. Электротехнические детали с заданными заранее электрическими свойствами. | Детали самолетов, спутников, ракет, шестерни, подшипники карданного вала, теннисные ракетки, лыжи, лыжные палки, катушки для удочек, искусственные суставы и др. Для замены металлических сплавов. | Авиационно-космическая техника, спортивный инвентарь, автомобильная промышленность, медицина. | ПА6, ПА66, ПБТФ, ПК |
Окончание таблицы 53
Тип марки | Характеристика изделий | Примеры применения | Области применения | Полимеры |
С минеральными дисперсными наполнителями (введение талька, каолина, мела, слюды, асбеста, аэросила и др.) | Изделия с повышенной жесткостью, пониженным короблением, хорошей точностью и стабильностью размеров, с хорошим качеством поверхности (гладкой и блестящей при введении мела и специального талька), с улучшенной дуго - и искростойкостью. Изделия с наилучшими показателями качество/цена. | Корпуса бытовых, осветительных и электроприборов, насосов, аккумуляторов, фар, кожухи вентиляторов, воздуховоды, облицовочные панели, крышки, решетки радиаторов, приборные щитки, детали интерьера кабины автомобиля, мебели, вентиляторов, привода ременной передачи, текстильные бобины, ручки, заглушки, клапаны, медицинский инструмент, упаковка для пищевых продуктов, хозяйственных товаров, бытовой химии, профильно-погонажные изделия, безнапорные трубы, изоляции кабелей. | Автомобильная промышленность, электротехника, электроника, приборостроение, санитарно-техническое оборудование, медицинская промышленность, приборы бытового назначения, мебель. | ПП, ПЭ, ПВХ, ПА6, АБС |
Комбинированные – наполненные стекловолокном и минеральным наполнителем. | Изделия с умеренно повышенной механической прочностью, жесткостью, стойкостью к ползучести, усталостной прочностью, теплостойкостью, высокой точностью и стабильностью размеров, пониженным короблением и хорошим качеством поверхности. | Корпуса насосов, стиральных машин, воздушные фильтры, части отопительной системы автомобилей, детали вентиляторов, обод грохота, детали машин. | Электротехника, автомобильная промышленность, приборостроение, санитарно-техническое оборудование, приборы бытового назначения. | ПП, ПА6, ПА66, ПБТФ, ПК, ПЭТФ. |
Таблица 54
Составы некоторых ПКМ, режимы изготовления и области применения
Тип, марка, состав ПКМ | Метод и режим изготовления | Применение |
ПКМ на основе термопластичных полимеров | ||
Полиэтилен, наполненный высокодисперсными порошками (мел, тальк, слюда, аэросил, сажа, силикаты, и др.) и волокнистыми (асбестовое, синтетическое, стеклянное и др. волокна, ткани) наполнителями. Содержание наполнителя 10–50%. | Литье под давлением: для ПКМ на основе ПЭВД – Тр = 180–220°С, Тф = 30–60°С, руд = 80–110 МПа; для ПКМ на основе ПЭНД – Тр = 180–260°С, Тф = 40–80°С, руд = 80–120 МПа. Прямое прессование: для ПКМ на основе ПЭВД – Тр = 70–190°С; для ПКМ на основе ПЭНД – Тр = 110–160°С, руд = 7–10МПа. Экструзия: для ПКМ на основе ПЭВД – Тр = 160–180°С; для ПКМ на основе ПЭНД – Тр = 150–190°С. Экструзия с раздувом. Ротационное формование. | Конструкционные материалы, обладающие по сравнению с чистым ПЭ повышенной прочностью, жесткостью, стойкостью к растрескиванию, а так же электроизоляционные материалы. Изделия из наполненного ПЭ применяются в машиностроении, химической, авиационной, судостроительной, электротехнической промышленности. Температура эксплуатации – 40–70°С (ПКМ на основе ПЭВД); 60–100°С (ПКМ на основе ПЭНД). |
Полипропилен, наполненный 20–40% стеклянного волокна. | Литье под давлением, экструзия, ротационное формование гранул | Конструкционный и электроизоляционный материалы для машиностроения, приборостроения, электротехники, производства ЭВМ и других отраслей. Температура эксплуатации – 70–137°С |
Стеклонаполненный литьевой лавсан ЛС-1: полиэтилентерефталат, наполненный стекловолокном. | Литье под давлением: Тр = 250–260°С, р = 0,010–0,012 МПа); рекомендуется предварительная сушка при Т = 120–130°С, в течении 5–7 ч. | Изделия и детали конструкционного назначения, работающие в условиях влажной атмосферы и при вибрации. Усадка 0,3–0,5%. Температура эксплуатации – 200°С. |
Продолжение таблицы 54
Тип, марка, состав ПКМ | Метод и режим изготовления | Применение |
Полиэтилентерефталат, наполненный 30% стекловолокна (Япония). | Литье под давлением | Конструкционные материалы для изготовления изделий и деталей технического назначения, главным образом деталей и узлов телевизоров, электромоторов, различной электронной аппаратуры, а также изделий, к которым предъявляются повышенные требования по стпбильности физико-механических свойств в условиях воздействия влаги, машинного масла, бензина. Температура эксплуатации – 200°С. |
Лавсанотекстолит: полиэтилентерефталат, стеклоткань | Прямое прессование | Конструкционные детали и изделия. Температура эксплуатации – 200°С. |
Полиамиды наполненные 10% графита или 10, 20, 40% талька | Литье под давлением, экструзия | Конструкционные дели с повышенной деформационной стойкостью, антифрикционные детали, работающие в узлах трения с затрудненной смазкой и без смазки. Температура эксплуатации -60–150°С |
Полиамид стклонаполненный: ПА6, 30% мелкорубленного стекловолокна | Литье под давлением: Тпо зонам = 210, 250, 250°С, Тс = 260°С, Тф = 80°С, pуд = 120–150 МПа. время охлаждения 20–40 с, оптимальное число оборотов шнека 30–50 об/мин. | Изделия конструкционного назначения, применяемые в электротехнической, машиностроительной, инструментальной и других отраслях промышленности. |
ПА610, 30% мелкорубленного стекловолокна | Литье под давлением: Тпо зонам = 210, 250, 250°С, Тс = 260°С, Тф = 80°С, pуд = 120–150 МПа. время охлаждения 20–40 с, оптимальное число оборотов шнека 30–50 об/мин. | Изделия конструкционного назначения, применяемые в электротехнической и радиопромышленности, в приборостоении, машиностроении. Температура эксплуатации – 60–150°С |
Окончание таблицы 54
Тип, марка, состав ПКМ | Метод и режим изготовления | Применение |
ПА12, 40% мелкорубленного стекловолкна | Литье под давлением Тпо зонам = 210, 250, 250°С, Тс = 260°С, Тф = 80°С, pуд = 120–150 МПа. время охлаждения 20–40 с, оптимальное число оборотов шнека 30–50 об/мин. | Детали и изделия конструкционного назначения |
ПКМ на основе термореактивных полимеров | ||
Смолы ПН-1, ПН-3, ПН-11, ПН-62, ПН-63, НПС-609-21М, НПС-609-27, НПС-609-29 армированные стеклотканью Т-11, Т13. | Намотка на оправку, укладка в пресс-форму или на обогреваемые плиты пресса заготовок с последующим формованием гидровакуумным, автоклавным, прессовым и другими методами. | Детали и изделия конструкционного назначения для различных отраслей техники. |
Эпоксидная композиция (ЭД-20, ЭД-16), наполненная железным порошком | Прямое прессование | Пресс-формы для горячего прессования и литья термопластов под давлением. Температура эксплуатации – 94–100°С |
Эпоксидная смола наполненная тальком: 100 м. ч. ЭД-20, 10 м. ч. ПЭПА, 10-16 м. ч. ДБФ, 300 м. ч. талька | Прямое прессование | Литейные модели, пресс-формы для контактного и вакуумного прессования стеклопластиков. Температура эксплуатации – 94–100°С |
Пресс-материал УП: эпоксидная смола ЭД-8, стекловолокно и другие добавки. | Прямое прессование при Т = 180°С, р = 10–70 МПа, 4–5мин на 1 мм толщины изделия с последующей термической обработкой при Т = 160°С в течение 2 ч. | Детали и изделия конструкционного и электроизоляционного назначения. Температура эксплуатации – 60–150°С |
Эпоксидная смола, армированная 50% (по объему) однонаправленным стекловолокном марки Е | Намотка, прессование | Конструкционные изделия для самолето - и вертолетостроения |
