Композиционные материала на полимерной матрице (КПМ)
Композиционные материала на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), которое объединяет все компоненты материала в единую структуру и обусловливает их совместную работу в составе КПМ.
Матрицами КПМ могут быть любые органические полимеры. В качестве наполнителей и армирующих компонентов КПМ используют материалы в любой фазе, относящиеся ко всем типам рассмотренных ранее материалов.
В большинстве промышленных технологий формирование КПМ и переработка их в изделия совмещены. Технологические свойства полимерных связующих дают возможность при формировании изделия «конструировать» структуру композиционного материала с целью придания ей оптимального соответствия условиям эксплуатации и конфигурации изделия. Снижение стоимости изделий, достигнутое в результате этого, – одна из причин, обусловливающих конкурентоспособность КПМ среди машиностроительных материалов. Типичным примером такого «конструирования» является технология получения автомобильных шин.
На плакате 2 представлена номенклатура КПМ, классифицированных по фазовому состоянию компонентов, где показаны основные ее представители, объединенные в группы, название которых – наполненные пластики, армированные материалы, смеси.
Наполненные пластики
В качестве дисперсных наполнителей полимерной матрицы в наполненных пластиках применяют твёрдые, жидкие и газообразные вещества.
П о р о ш к о в ы е п л а с т и к и содержат дисперсные наполнители в твёрдой фазе. В эту группу входят следующие материалы.
Конструкционные (общетехнические) пластики – КПМ с матрицей из конструкционных термопластов, содержащей твёрдые дисперсные наполнители преимущественно неметаллической природы. Они предназначены для изготовления деталей машин: зубчатых колёс, подшипников, уплотнительных колец, корпусов и т.д
Металлонаполненные пластики – КПМ, содержащие в качестве наполнителя металлические порошки. Металлонаполненные пластики имеют более высокие, чем исходные полимеры, показатели прочности, термостойкости и теплопроводности. Для придания изделиям из пластиков анизотропии электро- и теплопроводности их формируют в постоянном электрическом поле или магнитном поле. В результате ориентации частиц металла в направлении поля в полимерной матрице образуются токопроводящие цепочки, придающие материалу анизотропию.
Металлонаполненные пластики применяют вместо цветныхидрагоценных металлов при изготовлении подшипников, уплотнителей, электрических контактов, в производстве магнитных лент, экранов для защиты от электромагнитных волн и ионизирующих излучений, нагревателей, устройств для отвода статического электричества, элементов радио- и электротехники, в частности, электропроводящих клеев для монтажа электронных приборов и др.
Графитопласты – КПМ, содержащие в качестве наполнителя природный и искусственный графит или карбонизированные продукты (кокс, термоантрацит и т.п.). Характерным представителем графитонаполненных полиамидов является АТМ-2 – антифрикционный самосмазывающийся литьевой материал на основе капрона, обладающий повышенными механической прочностью, жёсткостью, теплопроводностью, низким и стабильным коэффициентом линейного расширения.
Саженаполненные каучуки применяют в качестве связующего при производстве шин.
К П М , с о д е р ж а щ и е к о м п о н е н т ы в ж и д к о й ф а з е, – это материалы на полимерной матрице, снабжённой порами, в которых находится жидкость. Технологическую основу большинства КПМ этого класса составляют студни.
Студни полимеров – структурированные системы полимер-растворитель, образующиеся при отверждении растворов полимеров или набухании твёрдых полимерных материалов.
Антимикробные полимерные материалы содержат препараты, обладающие свойством подавлять жизнедеятельность микроорганизмов (бактерицидные) или ограничивать их развитие (бактериостатические). В качестве антимикробных препаратов применяют химические консерванты (сорбиновую, бензойную, нитробензойную кислоты, их соли и эфиры), антибиотики (низин, тетрациклин и их производные), ионы металлов (серебра, меди, цинка, ртути) и др.
Ионообменные смолы, или синтетические органические иониты – это нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные полиэлектролиты (полимеры, в состав которых входят группы, распадающиеся на ионы в растворе), при контактировании которых с растворами электролитов имеет место обмен подвижных ионов смолы на ионы электролита.
Противокоррозионные пластики – КПМ, содержащие ингибиторы коррозии металлов. Чехление деталей в ингибированную полиэтиленовую плёнку обеспечивает их защиту от коррозии в течение 3-7 лет.
К П М , с о д е р ж а щ и е к о м п о н е н т ы в г а з о в о й ф а з е, – пенопласты, поропласты, пластики с полым наполнителем применяют для защиты машин, оборудования, установок и т.п. от нежелательного теплового обмена с окружающей средой (теплоизоляционные материалы), а также для поглощения шумов внутри помещения или (и) защиты его от проникновения звука извне (акустические или звукопоглощающие материалы).
Армированные пластики
Армированные пластики – обширная группа КПМ, содержащих в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые, тканевые, сеточные и листовые материалы. Различают волокнистые армированные пластики с полимерной матрицей, упрочнённой непрерывными или дискретными волокнами, и слоистые, компоненты которых выполнены в виде послойно расположенных структурных элементов.
Волокнистые пластики
Пластики, армированные природными волокнами – один из самых старых видов КПМ. Наполнителями чаще всего служат целлюлозные волокна, преимущественно хлопковые, а также волокна льна, конопли, сизаля, джута, кенафа и др.
Волокниты – пресс-материалы, состоящие из рубленного волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой. Волокниты, содержащие хлопковое или химическое волокно, называют органоволокнитами, углеродное – карбоволокнитами, борное – бороволокнитами и т.д. Матрицы волокнитов чаще всего изготовляют из фенолоформальдегидной смолы резольного или новолачного типа, иногда для пропитки волокнистых наполнителей используют другие синтетические смолы. В этом случае в названии материала к слову «волокнит» добавляют начальные слоги из названия смолы, например, мелаволокнит – КПМ на основе меламино-формальдегидной смолы. Из волокнитов изготовляют детали с высоким сопротивлением ударным нагрузкам: корпуса и крышки аппаратов, шестерни, втулки, строительные панели и др.
Стеклопластики – материалы на полимерной матрице, армированной стеклянным волокном. В стеклопластиках высокая прочность сочетается со сравнительно низкими плотностью и теплопроводностью, высокими электроизоляционными характеристиками, радиопрозрачностью. Их применяют в судостроении (корпуса судов), транспортном машиностроении (кузова автомобилей, цистерны и др.), в авиации и ракетной технике (радиопрозрачные обтекатели, лопасти вертолётов и т.д.), в химической промышленности (коррозионностойкое оборудование и трубопроводы), в строительстве (несущие и облицовочные элементы), в электро- и радиотехнике (изоляторы и др.).
Асбопластики – теплостойкие КПМ, матрица которых наполнена асбестовыми материалами. Они длительно сохраняют механические свойства при температурах до 400°С. Из асбопластиков изготовляют лопатки ротационных насосов, коллекторы электрических машин, тормозные колодки, химическую аппаратуру, элементы тепловой защиты ракет и др. Известным асбопластиком является паронит – композиционный материал на основе каучука, наполненного асбестом и другими компонентами. Из паронита изготовляют прокладки для герметизации сред, находящихся под избыточным давлением, устанавливаемые в неподвижные соединения деталей машин.
Углеродопласты (карбопласты, углепластики)– КПМ, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна. Это прочные, жёсткие, термически и химически устойчивые материалы с высокими электро- и теплопроводностью, небольшой плотностью, низкими значениями коэффициентов линейного расширения и трения. Из углеродопластиков выполняют детали ракет, самолётов, судов, спортинвентарь и др. Их применяют для изготовления радиопоглощающих экранов автомобилей, чтобы предупредить влияние внешнего электромагнитного поля на работоспособность электронных устройств, а также для защиты радиоаппаратуры от излучения двигателя.