Карбоволокниты с углеродной матрицей

5.3. 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 выкладывается по форме изделия и помещается 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. В связи с этим композиционный материал обладает высокими меха­ническими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм на торможение).

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.

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в табл.2.

5.4. 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 комплекс­ные 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. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при темпе­ратуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С.

Влияние на механические свойства бороволокнита содержа­ния волокна приведено на рис.12, а влияние различных матриц – на рис.13.

Рис.12. Зависимость механических свойств бороволокнита КМБ-1 от содержания борного волокна: Е – модуль упругости;
σ_ИЗГ – предел прочности при изгибе; G – модуль сдвига; τ_В – предел
прочности при сдвиге

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями уста­лости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Рис.13. Зависимость разрушающего напряжения при изгибе бороволокнитов на различных связующих от температуры: 1, 2 – эпоксидное; 3 – полиимидное; 4 – кремнийорганическое связующее

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: λ=43 кДж/(м∙К); α=4∙10^-6 С^-1 (вдоль волокон); ρ_V=1,94∙10⁷ Ом∙см; е=12,6ч20,5 (при частоте тока 10⁷ Гц); tgδ=0,02ч0,051 (при частоте тока 10⁷ Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2–2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Физико-механические свойства бороволокнитов приведены в табл.2.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрес­соров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

5.5. 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/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влаж­ном 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.

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 электрорадиоиромышленности, авиа­ционной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, ем­кости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

Литература

Гуляев А.П. «Металловедение», М.: 1968.

Дальский А.М. «Технология конструкционных материалов», М.: 1985.

Куманин И.Б. «Литейное производство», М.: 1971.

Лахтин Ю.М. «Материаловедение», М.: 1990.

Семенов «Ковка и объемная штамповка», М.: 1972.

Таблица 2. Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с полимерной матрицей

Материал

Плот­ность, т/м3

Предел прочности, МПа

Модуль упругости, ГПа

Удельная жесткость Е/ρ, 103 км

Относительное удлинение при разрыве, %

Удельная проч-ность σ/ρ, км

Ударная вязкость, кДж/м2

Сопр. усталости на базе 107 циклов, МПа

Длит. прочн. при изгибе за 1000 ч, МПА

при рас-тяжении

при сжатии

при изгибе

при сдвиге

при рас-тяжении

при изгибе

при сдвиге

Карбоволокниты: КМУ-1л КМУ-1у КМУ-1в КМУ-2в Бороволокниты: КМБ-1м КМБ-1к КМБ-2к КМБ-3к Карбоволокнит с углер. матрицей КУП-ВМ Органоволокниты: с эластичным волокном с жестким волокном

1,4 1,47 1,55 1,3 2,1 2,0 2,0 2,0 1,35 1,15–1,3 1,2–1,4

650 1020 1000 380 1300 900 1000 1300 200 100– 190 650–700

350 400 540 – 1160 920 1250 1500 260 75 180–200

800 1100 1200 – 1750 1250 1550 1450 640 100–180 400–450

25 30 45 – 60 48 60 75 42 – –

120 180 180 81 270 214 260 260 160 2,5–8,0 35

100 145 160 – 250 223 215 238 165 – –

2,80 3,50 5,35 – 9,8 7,0 6,8 7,2 – – –

8,6 12,2 11,5 6,2 – 10,7 13,0 12,5 – 0,22–0,6 2,7

0,5 0,6 0,6 0,4 0,3–0,5 0,3–0,4 0,3–0,4 0,3–0,4 – 10–20 2–5

46 70 65 30 – 43 50 65 – 8–15 50

50 44 84 – 90 78 110 110 12 500–600 –

300 500 350 – 400 350 400 420 240 – –

480 880 900 – 1370 1220 1200 1300 – – –