Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

141

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов

более высокими значениями временного сопротивления и предела

выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента

жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к

трещинообразованию. Прочность композиционных (волокнистых)

материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном

должна перераспределять напряжения между армирующими

элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон

должны быть значительно

больше, чем прочность и модуль

упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают

напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают

ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибдено-

вую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида

титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается

армированием их

вольфрамовой или молибденовой проволокой.

Металлические волокна используют и в тех случаях, когда тре-

буются высокие теплопроводность и электропроводимость. Пер-

спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодуль-

ных волокнистых композиционных материалов являются нитевид-

ные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида

кремния, карбида бора и др., имеющие σ

= 15000÷28000 МПа и Е =

400

÷600 ГПа.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов

непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния,

диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаро-

прочность. Основным недостатком композиционных материалов с

одно - и двумерным армированием является низкое сопротивление

межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка

лишены материалы с объемным армированием.

Дисперсно - упрочненные материалы в

металлической

матрице. В отличие от волокнистых композиционных материалов

в дисперсно - упрочненных композиционных материалах матрица

является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные

частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность

достигается при размере частиц 10 – 500 нм при среднем

расстоянии между ними 100 – 500 нм и равномерном

распределении их в матрице. Оптимальное содержание второй

142

фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не

превышает 5 – 10 объема, в %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных

тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные

соединения оксидов и редкоземельных металлов),

нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить

высокую прочность материала до (0,9–0,95) ·

пл

. В связи с этим

такие материалы чаще применяют как жаропрочные.

Дисперсноупрочненные композиционные материалы могут быть

получены на основе большинства применяемых в технике металлов

и сплавов.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных

материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на

основе никеля с 2–З объема, в%

двуоксида тория или двуоксида

гафния. Сплав ВД-3 –

65 МПа. Дисперсно-упрочненные компози-

ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к

разупрочнению с повышением температуры и длительности

выдержки при данной температуре.

Применение композиционных материалов обеспечивает

новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей,

энергетических и транспортных установок, уменьшении массы

машин и приборов. Технология получения полуфабрикатов и

изделий из композиционных материалов

достаточно хорошо

отработана.

§3. Композиционные материалы с полимерной матрицей

Способ изготовления слюдокомпозиционного эластичного

электроизоляционного материала. Слюдосодержащий

эластичный материал на основе слюды технологичен, не пылит при

наложении на токопровод. Способ получения такого материала

заключается в следующем. В отвальцованный слюдосодержащий

полимер срезают с быстроходного валка, и слюдосодержащую

смесь в виде листа толщиной примерно 4 мм измельчают

специальном резательном устройстве. Крошку загружают в барабан

заливают растворителем, например, ацетоном и вращают до

образования слюдосодержащей полимерной суспензии вязкостью ~

100 с по ВЗ – 4.

143

Высоковязкую суспензию наносят на движущуюся

диэлектрическую подложку, например, лавсан или стеклоткань.

Нанесение суспензии производят методом полива, толщину

лакового слоя производят, например, ракельным устройством.

Подложка перемещается специальным лентопротяжным

механизмом, в котором в виде рулона она установлена на

подающей бобине, а приемная бобина соединена натяжным

устройством.

На поверхность слюдосодержащего материала наносится

липкий слой

(высоковязкий лак) полимера той же природы, что и

полимер слюдосодержащей суспензии. Материал может быть в

виде лент или простынок. Затем накладывают такой материал друг

на друга, образуя многослойную конструкцию. Число слоев стопки

определяется заданной толщиной конструкции. Наносить липкий

слой на подложку можно на ленточный материал в бобине или

непосредственно перед

наложением ленты на токопровод. В случае

нанесения лака на ленту в бобине, ее необходимо хранить в

холодильнике. Во втором случае лак не успеет потерять свои

технологические свойства до операции отвердения.

Электрофизические свойства материала следующие:

- ρ

, Ом·м 10

÷ 10

- tgδ 0,025

- ε 4

- Е

пр

, МВ/м 62

- σ

в,

кг/см

400

Электрофизические свойств многослойного композита:

- ρ

, ,Ом·м 10

- tgδ 0,03

- ε 4, 5

- Е

пр

, МВ/м 40

- σ

в,

кг/см

400.

Расщепление слюдоматериалов ведут в вальцах. Создается

многослойный диэлектрик. Для склеивания исходного материала

используют полимерный лак. Липкий слой должен быть химически

совместимым с полимером слюдосодержащего материала.

Оптимальным является использование в качестве липкого слоя такого

же полимера, что и полимер слюдосодержащей смеси. При нанесении

липкого слоя на диэлектрическую подложку расход компаунда должен

144

быть скорректирован с линейной скоростью подложки –

слюдосодержащего материала и реологическими свойствами липкого

слоя.

Слюдосодержащий материал с липким слоем наматывается на

бобину. Для предотвращения слипания слоев при разматывании

бобины предусматривается специальная прослойка – например,

конденсаторная бумага.

§4. Композиционные материалы с полимерными

высокопрочными и высокомодульными волокнами

Металлополимеры. В мире известны такие фирмы как

''Дурметалл'' (Швейцария), ''Мултметалл", "Униреп", "Диамант"

(ФРГ), "Белзона" (США), которые занимаются разработкой и

производством металлополимеров (металлополимерных паст). В

России данной проблемой занимается научно-производственная

фирма "ЛЕО", которая является разработчиком, владельцем и

производителем металлополимеров. "ЛЕО" для осуществления

запатентованного в России метода холодной наплавки – сварки

позволяет устранять практически все виды дефектов деталей и

узлов машин, механизмов, устройств.

В настоящее время научно-производственной фирмой "ЛЕО"

разработаны и выпускаются два вида полимеров: "Сталь-керамика"

и "Керамика". Металлополимер "Сталь-керамика" применяется для

устранения дефектов узлов и деталей, таких как растрескивание,

коррозия, истирание, повреждения при ударе или столкновении, а

также для устранения химической нагрузки. Металлополимер

"Керамика" восстанавливает металлические поверх- ности,

поврежденные или имеющие износ в результате коррозии, эрозии,

кавитации или абразивного износа. В этом случае обеспечивается

максимальная износостойкость от действия других твердых,

жидких или газообразных сред, в том числе агрессивных.

В исходном состоянии (в стадии поставки) металлополимеры

состоят из пастообразных "Базиса" и "Активатора". "Базис" и

"Активатор" содержат высокомолекулярные вещества (полимеры),

в которых распределены частицы специально подобранных сталей

и других материалов. После завершения молекулярной реакции от-

вердевания металл-паста превращается долговечный

145

металлический полимер - металлополимер с оптимальными

физико-механическими свойствами.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные

материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов,

подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной

атмосфере. При температуре 800–1500°С образуются

карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные

карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов

упрочнитель выкладывают по форме изделия и помещаются в печь,

в которую пропускается

газообразный углеводород (метан). При

определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении

2660 Па) метан разлагается, и образующийся пиролитический

углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую

прочность сцепления с углеродным волокном. Полимерные

карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова

гоночных машин, шасси, гребные винты);

из них изготовляют

подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части

ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для

изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для

химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные

типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков

авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Бороволокниты. Бороволокниты представляют собой

композиции

из полимерного связующего и упрочнителя — борных

волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при

сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью

и модулем упругости, теплопроводностью и

электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон

обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с

матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплекс-

ные боростеклониты, в которых

несколько параллельных борных

волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость.

Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс

изготовления материала. В качестве матриц для получения

бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные и

полиимидные связующие. КМБ-2к работоспособен при 300°С.

146

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости,

они стойки к воздействию радиации, воды, органических

растворителей и горючесмазочных материалов.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то

бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и

электропроводимостью: λ = 43 кДж/(м·К); α = 4·10

-6

-1

(вдоль

волокон); ρ

= 1,94·10

Ом·см; ε = 12,6 ÷ 20,5 (при частоте тока 10

Гц); tgδ = 0,02÷0,051 (при частоте тока 10

Гц). Для бороволокнитов

прочность при сжатии в 2–2,5 раза больше, чем для

карбоволокнитов. Изделия из бороволокнитов применяют в

авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и

лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы

вертолетов и т.д.).

Органоволокниты. Органоволокниты представляют собой

композиционные материалы, состоящие из полимерного

связующего и упрочнителей (наполнителей) в

виде синтетических

волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно

высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при

действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры.

Для синтетических волокон потери прочности при текстильной

переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

В органоволокнитах значения модуля упругости и

температурных коэффициентов линейного расширения

упрочнителя и связующего близки.

Происходит диффузия

компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие

между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не

превышает 1–3% (в других материалах 10–20%). Отсюда

стабильность механических свойств органоволокнитов при резком

перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок.

Ударная вязкость высокая (400–700 кДж/м

). Недостатком этих

материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и

высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влаж-

ном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а

теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может

длительно работать при температуре 100–150°С, а на основе

полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при

200–300°С.

147

В комбинированных материалах наряду с синтетическими

волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и

бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и

жесткостью. Органоволокниты применяют в качестве

изоляционного и конструкционного материала в электро -

радиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из

них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов

судов и др. В табл. 30 приведены основные свойства

однонаправленных композиционных материалов

высокомодульными упрочнителями.

Баллистические ткани. Для защитных снаряжений и

конструкций широко применяются композиционные материалы.

Это высокопрочные арамидные волокна и композиты на их основе,

многослойное стекло. По уровню свойств рассматриваемые

материалы во многих случаях значительно превосходят металлы,

что делает их незаменимыми для защитных изделий.

Применение ударных видов нейлона позволило

на практике

осуществить идею мягкой брони при разработке защитной одежды.

Пакет из 12 ... 14 слоев нейлоновой ткани защищал от осколков

массой 1 ... 2 г при скорости до 400 м/с. Прочная гибкая основа

нейлоновой брони подсказала и пути дальнейшего усиления ее

защитных свойств путем размещения металлических или иных

прочных твердых вставок в специальные внут ренние

полости в

области жизненно важных органов. По этому принципу

создавались образцы бронеодежды первого поколения, в том числе

первый стандартный бронежилет для сухопутных войск США

(1944 г.).

Нейлоновая броня, несмотря на ее сравнительно слабые

защитные свойства, сыграла решающую роль в развитии

современных средств индивидуальной бронезашиты. С

использованием нейлона удалось впервые осуществить реальную

защиту от некоторых видов стрелкового оружия с помощью легкой

компактной бронеодежды, пригодной для любых родов войск и

полиции.

Преимущество арамидной ткани перед баллистическим

нейлоном оказалось весьма существенным. Сочетание высокой

удельной энергии на разрыв и незначительного удлинения волокон

определило необычные прочностные характеристики пакета

кевларовой ткани при воздействии интенсивной ударной нагрузки.

148

Волокно получают путем вытяжки через фильеру нагретого

химического раствора с пропусканием через ванну с холодной

(О °С) водой. Толщина волокна порядка 12 микрон. Затем волокна

прядут в нить до требуемой линейной плотности, которая

измеряется в тексах (текс равен массе нити дайной 1000 метров в

граммах). Обычно нить подвергается химической обработке

водоотталкивающим составом.

После ткацкой переработки получают баллистическую ткань,

характеризующуюся определенным типом и частотой числа нитей

по основе и утку на квадратный сантиметр плетения. Многие

баллистические блоки представляют собой прошитые в несколько

слоев (в зависимости от требуемого уровня защиты) ткани из

арамидного волокна. Мягкие баллистические блоки в специальных

чехлах (защищающих ткань от ультрафиолетовых лучей

и влаги)

применяются в индивидуальной защите.

Различные исследования показывают, что «возраст» волокна

сам по себе не изменяет структуру волокон и не ухудшает их

механические свойства и баллистические свойства ткани.

Механические свойства волокна (нити) ухудшаются исключитель-

но вследствие процессов деструкции (разрушения структуры

вещества). Термическая деструкция происходит при температурах

выше примерно 160°С

и ведет к необратимой потере механических

свойств.

Основные факторы, снижающие свойства баллистических

тканей:

Воздействие воды. Как показывают исследования, экспозиция

в воде не приводит к изменению механических свойств волокон.

Восстановление баллистических свойств возможно путем сухой

сушки.

Воздействие пота. Возможно восстановление баллистических

свойств после специальных способов чистки и сушки.

Воздействие солнечной радиации. При воздействии

ультрафиолетовых лучей механические и баллистические свойства

ткани необратимо снижаются.

Воздействие масел и других химических реагентов,

использование стандартных способов стирки. В случае отсутствия

деструкции волокон возможно восстановление баллистических

свойств после специальных способов чистки и сушки.

Механическое истирание нитей.

Восстановление возможно

149

путем ремонта или замены части поврежденных слоев только в

условиях специализированного предприятия.

Снижение защитных свойств может происходить под

влиянием переменной влажности воздуха и температуры.

Достаточно распространенным случаем такого воздействия

является выдержка материалов при некоторых климатических

параметрах с последующей обработкой или эксплуатацией при

условиях, отличающихся от исходных.

Технология изготовления баллистических тканей и

многослойных изделий. При повышении боеспособности

военнослужащих за счет увеличения специальных защитных

средств одновременно возникает проблема изнуряющего

воздействия индивидуального снаряжения на организм человека, т.

е. обеспечение физиологического комфорта зачастую несовместимо

с требованиями защиты. Комфортность экипировки косвенно

можно оценить по показателям воздухопроницаемости

используемых материалов и тканей.

Добавление эластичных смол к жестким смолам общего

назначения уменьшает их хрупкость и упрощают переработку. При

добавлении к полиэфирной смоле вместо фталевого ангидрида

изофталевую кислоту позволяет придать полимеру упругие свойства.

Полиэфирные смолы в принципе являются горючим

материалом, но обладают сравнительно низкой стойкостью горения.

Увеличение устойчивостью смолы к

воспламенению и горению

достигается при использовании место фталевого ангидрида

галогенированных двухосновных кислот, например,

тетрафторфталевой. Дальнейшее повышение стойкости достигается

введением в смолу различных ингибиторов горения.

Одним из лучших видов связующих являются эпоксидные

смолы. Их достоинства:

− обладают хорошей адгезией к большому числу наполнителей и

компонентов;

− разнообразные доступных эпоксидных смол и отверждающих

агентов;

− в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и

отверждающими агентами не выделяется вода или какие либо

другие летучие вещества, а коэффициент усадки значительно

меньше, чем у полиэфирных смол;

150

− отверждение эпоксидные смолы обладают химической

стойкостью.

К эпоксидным смолам можно отнести ароматические полимеры

конденсационного типа. В реальных условиях экипировка бойца

представляет собой сложный комплект, включающий в себя

костюм, бронежилет, разгрузочный жилет и это, не считая

нательного белья. Таким образом, обмен воздуха происходит в

реальных условиях через пакет тканей, состоящий из

нескольких

слоев.

Для комплектов одежды военнослужащих используются

огнестойкие ткани. Величина воздухопроницаемости для них

желательна максимально возможная, а для баллистических тканей

наоборот: чем меньше воздухопроницаемость, тем больше

"застилистость" - многослойность ткани, тем лучше должны быть ее

баллистические характеристики.

Для ткани арт. 5356, выполненной из нити линейной

плотности 58,8 текс, увеличение плотности набивки на 1 ед.

снижает воздухопроницаемость почти в 2 раза. Для ткани арт.

56319, выполненной из нити линейной плотности 29,4 текс,

увеличение плотности набивки на 10 ед. снижает

воздухопроницаемость на 10%.

Воздухопроницаемость тканей зависит одновременно от

многих факторов. При выборе огнестойких баллистических тканей

с максимальной воздухопроницаемостью следует учитывать ее

зависимость от состава сырья, способа нанесения окраски, наличия

ГФО, линейной плотности нити, крутки, от плотности набивки

нитей в ткани и типа переплетения ткани.

Технологические основы повышения бронестойкости

керамических композитов. Наиболее эффективным материалом по

средств индивидуальной защиты и спецзащиты от бронебойной

пули с термоупрочненным сердечником (ТУС) является

высокоплотная керамика с высокой твердостью, обладающая

пулестойкостью.

За рубежом керамические материалы достаточно широко

используются для изготовления наиболее дорогих средств

бронезащиты в виде монолитных крупногабаритных панелей

различной степени кривизны для индивидуальной защиты и

транспортных средств.