Волокнистые композиционные материалы: способы получения, покрытия волокон и матрицы

Волокнистые композиционные материалы

Корпус спортивного велосипеда, лопасть ветрогенератора, обшивка самолёта — там, где нужна прочность стали при весе куда меньше, в дело идут композиты, армированные волокнами. Металл в таких конструкциях просто оказался бы слишком тяжёлым. Ниже разобрано, что такое волокнистые композиционные материалы, какими методами их получают, зачем волокна покрывают защитными слоями и какую роль во всём этом играет матрица.

Что даёт объединение разных компонентов?

Соединяя непохожие составляющие, получают материал с характеристиками, которые не сводятся к простой сумме свойств исходных компонентов. В любом композите выделяют две части — матрицу и наполнитель.

Меняя состав матрицы и наполнителя, их соотношение и ориентацию волокон, можно получить целый спектр материалов под конкретную задачу. Большинство композитов превосходит традиционные сплавы по механическим свойствам, а главное — позволяет облегчить конструкцию, сохранив или даже улучшив её характеристики.

Какими методами получают волокнистые композиты?

Способов производства несколько, и выбор зависит от типа волокон, матрицы и формы будущего изделия. К основным методам относят:

1. плазменное напыление;
2. горячее прессование;
3. пропитку пучков волокон расплавом с низкой температурой плавления.

Композиции типа «сэндвич»

Отдельная группа технологий работает с многослойными композициями, армированными непрерывными волокнами. Такой «сэндвич» состоит из чередующихся слоёв волокон и алюминиевой фольги.

Пропитка волокон из жидкометаллической фазы

Особого внимания заслуживает метод отливки труб и прутков, армированных высокопрочными волокнами, из жидкометаллической фазы. Процесс идёт непрерывно и выстроен по чёткой цепочке:

1. пучок волокон пропускают через ванну с расплавом;
2. волокна пропитываются жидким алюминием, магнием или — при изготовлении полимерного материала — жидкой смолой под давлением;
3. на выходе из ванны волокна соединяются;
4. затем их протягивают через фильеру, которая формирует трубу или пруток.

Зачем на волокна наносят покрытия?

Не всякое волокно спокойно переносит контакт с расплавленной матрицей. Чтобы улучшить смачиваемость, окалиностойкость и характер взаимодействия волокна с матрицей, для ряда волокон разработаны специальные покрытия.

• Борные волокна. Их защищают от реакции с расплавами титана и алюминия, создавая на поверхности диффузионный барьер из карбидов бора или кремния.
• Углеродные волокна. Они легко окисляются, поэтому на их поверхность наносят специальные покрытия, а саму переработку ведут в защитной атмосфере.

Какую роль играет матрица?

Волокна принимают на себя основную нагрузку, но без связующей основы они остались бы просто пучком нитей. Эту основу и образует матрица.

Матрица держит материал монолитным, фиксирует взаимное расположение армирующих волокон и задаёт форму изделия. Она же равномерно распределяет нагрузку между волокнами и перераспределяет её, если часть волокон разрушается. Кроме того, именно материал матрицы определяет технологию изготовления композита.

При нагрузках, приложенных не вдоль волокон, а в других направлениях, прочность композита определяется уже не волокнами, а прочностью самой матрицы.

Каким требованиям должна отвечать матрица?

Все требования к материалу матрицы волокнистых композитов делят на две группы:

1. технологические — они связаны с изготовлением изделия;
2. эксплуатационные — химические, физические и механические свойства, от которых зависит работа композита в разных условиях.

Прочность матрицы должна быть достаточной, чтобы все армирующие элементы работали совместно. А при изготовлении композита необходимо обеспечить два условия:

• прочную связь на границе раздела «волокно — матрица»;
• равномерное распределение волокон.

Оба условия выполнимы лишь тогда, когда матрица хорошо смачивает волокна. Смачиваемость характеризуется растеканием жидкости по поверхности твёрдого тела: капля должна расходиться по нему, а не собираться в шарик.

Из чего делают матрицы?

Чаще всего в качестве материала матрицы выступают полимеры, углерод и металлы. У каждого варианта своя область сильных сторон.

Полимерная матрица

Здесь используют полиэфирные и эпоксидные смолы, а также некоторые термопластичные пластмассы. Такие матрицы технологичны и удобны в переработке.

Углеродная матрица

Углерод сочетает в себе высокие механические характеристики с низким коэффициентом температурного расширения и трения. Дополняют картину высокая химическая стойкость и теплостойкость.

Металлическая матрица

Металлические матрицы отличаются высокими значениями прочности, модуля Юнга и ударной вязкости. Самые распространённые металлы для этой роли — алюминий, магний, титан и сплавы на их основе.

Каждый металл даёт композиту свой набор преимуществ:

• алюминиевые сплавы — пластичность и высокую технологичность;
• магниевые сплавы — меньшую плотность;
• титановые сплавы — высокий модуль упругости и предел прочности.

Сведённые воедино, эти сведения выстраиваются в понятную логику: способ получения задаёт форму и степень наполнения композита, покрытия волокон обеспечивают их совместимость с расплавом, а выбор матрицы — от лёгких полимеров до прочных металлов — окончательно определяет, где именно материал сможет работать. Такая гибкость и делает волокнистые композиты незаменимыми там, где важно сочетание прочности и малого веса.