Материалы армирующих компонентов

Основным армирующим компонентом волокнистых композитов, как уже было сказано, является волокно. Волокна используют непосредственно в виде моноволокна, а также для изготовления конструктивно более сложной арматуры. Из моноволокна изготавливают жгуты, ткани, сетки и др.

Армирующие компоненты воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, обеспечивают жесткость и прочность композита в направлении ориентации волокна. Таким образом, волокна должны обладать высокой прочностью и жесткостью, т.е. большим модулем упругости, химической стойкостью и сохранять эти свойства в интервале эксплуатационных температур. Волокна изготавливают из стекла, бора, углерода, металлической проволоки. Широко используются химические соединения – оксиды, нитриды и т.п. в виде нитевидных кристаллов (усов, см. рис. 1.16) с прочностью, близкой к теоретической.

Стеклянные волокна наиболее часто применяют при создании композитов с неметаллической матрицей.

При малой плотности они имеют высокую прочность и теплостойкость, нейтральны к химическому и биологическому воздействию. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8...3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием волокон до диаметра 3...19 мкм. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (например, парафиновой эмульсией) для предотвращения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.

Органические волокна используют для получения композитов с полимерной матрицей. Вследствие низкой плотности они имеют высокую удельную прочность, превосходящую все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. Применяют волокна на основе полиамидов с высокими значениями предела прочности при растяжении и модуля упругости.

Углеродные волокна по физико-химическим свойствам подобны углеродной матрице. Получение углеродных волокон может быть осуществлено путем протягивания каменноугольных расплавов через фильеры диаметром 0,3 мм, последующим вытягиванием со степенью вытяжки 100 000...500 000%, в результате чего достигается высокая ориентация макромолекул, что определяет высокую прочность волокна (1500...2000 МПа, это соответствует прочности молибденовой проволоки).

Борные волокна обладают по сравнению с другими армирующими компонентами бо́льшим модулем сдвига G. Бор является полупроводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пониженные тепло- и электропроводность. Метод получения борных волокон – химическое осаждение бора из смеси газов (2ВСl3 + 3Н2 → 2В + 6НСl) на вольфрамовую подложку при температуре около 1100 °С. Эти волокна используют для композитов с металлической и с полимерной матрицей.

Волокна из карбида кремния имеют пониженные механические свойства по сравнению с волокнами из бора и углерода, для них характерна повышенная чувствительность к поверхностным дефектам. Их используют для металлокомпозитов, работающих при высоких температурах.

Высокопрочные борные и углеродные волокна обладают плохой адгезией с материалом матрицы. Улучшение сцепляемости достигается травлением волокон или специальной обработкой – вискеризацией. Она заключается в том, что на поверхности волокон, перпендикулярно их длине, выращиваются монокристаллы карбида кремния. Полученные таким образом "мохнатые" волокна бора называются борсик (Бор SiC).

Металлические волокна и проволоки – наиболее экономичны. Для композитов, работающих при низких температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна. Для работы при высоких температурах – вольфрамовую или молибденовую проволоку. Стальные волокна изготовляют в основном из высокопрочной коррозионно- стойкой стали.

Коротковолокнистая арматура, используемая при создании композитов на основе полимеров, – это волокна диаметром 1...10 мкм при средней длине 275 мкм. Наиболее высокой прочностью, близкой к теоретической, обладают нитевидные кристаллы (усы, см. рис. 1.16), имеющие совершенную структуру (так, прочность нитевидных кристаллов SiC достигает 40 500 МПа, что на порядок выше прочности коррозионно-стойкой стали – 3800 МПа). Нитевидные кристаллы могут быть использованы для создания композитов с различными матричными материалами. Волокна изготавливают из оксидов алюминия, бериллия, магния; нитрида алюминия, карбида бора, графита. Предел прочности при растяжении и модуль упругости нитевидных кристаллов в 5... 10 раз выше, чем у непрерывных армирующих волокон. Так, для непрерывного волокна из углерода предел прочности при растяжении – 2100 МПа, модуль упругости – 340 ГПа, для углеродных усов соответствующие значения 20 700 МПа и 980 ГПа.

Тканые армирующие материалы используют для получения слоистых композитов. Используются стеклоткани, углеткани, органоткани.