11.1.1. Армирующие волокна для пкм

Армирующие волокна несут основную механическую нагрузку и имен­но они определяют прочность и жесткость (модуль упругости) материала.

Стеклянные волокна вытягивают из расплавленной, специально при­готовленной смеси оксида кремния с оксидами разных металлов. Основные затраты - затраты энергии на расплавление и гомогенизацию смеси. Стек­лопластики - наиболее дешевые композиты, однако их главные недостатки - сравнительно большая плотность и низкий модуль упругости.

Для преодоления этих недостатков применяют углеродные волокна. В качестве сырья для получения углеродных волокон используют полимер­ные полиакрилонитрильные или вискозные волокна. Специальная много­стадийная термическая обработка полимерных волокон при высоких тем­пературах (2000°С и выше) приводит к карбонизации и графитизации во­локон, в результате чего конечное волокно состоит только из углерода и имеет различную структуру и свойства в зависимости от режима термооб­работки и структуры исходного сырья. Углеродные волокна непрерывно совершенствуются, повышаются их прочность и жесткость, увеличивается ассортимент. Один из перспективных путей снижения их цены - использо­вание нефтяных и других пеков (тяжелых полиароматических соединений) в качестве исходного сырья. Кроме того, волокна из пеков обладают повы­шенным модулем упругости. Углеродные волокна и композиты на их осно­ве имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что определяет и ограничивает области их применения.

На основе углеродных волокон делают различные углепластики, в том числе, и самый теплостойкий композит - углерод-углеродный, в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит практи­чески чистый углерод. Более подробно углерод-углеродные композиты будут рассмотрены в гл.13.

Борные волокна получают методом химического осаждения из га­зовой фазы по реакции :ВС1₃ +Н₂ —> B+ НС1 Осаждение ведется на тонкую (диаметром несколько микрон) вольфрамовую проволоку. Тех­нология получения борного волокна очень сложная, поэтому они имеют высокую стоимость.

Говоря об армирующих волокнах, следует остановиться на высо­копрочных высокомодульных полимерных волокнах. Для них характер­ны низкая плотность, высокая удельная прочность при растяжении и достаточная прочность при сжатии и изгибе, высокое сопротивление динамическим нагрузкам. Полимеры, из которых получают такие во­локна, делятся на жесткоцепные [полипарафенилентерефтал-амид (кевлар) и полибензоатиазол] и гибкоцепные (полиэтилен и поливиниловый Спирт). Структура тех и других показана на рис. 11.1. Макромолекулы в волокнах, изготовленных из этих полимеров, в основном ориентирова-

ны в направлении оси волокна и свойства волокна (прочность, модуль упругости и др.) различны вдоль и поперек его. Чем выше степень ори­ентации макромолекул полимеров, тем выше прочность при растяжении вдоль волокон. Макромолекулы в жесткоцепных полимерах при высо­кой температуре сами стремятся сориентироваться в одном направле­нии, поэтому при изготовлении волокон из этих материалов используют стадию термообработки. Основная проблема достижения высоких ха­рактеристик волокон из гибкоцепных полимеров. - добиться высоких степеней ориентации в процессе вытяжки и избежать разрывов макромоле­кул. Полиэтиленовые волокна могут иметь очень высокие прочность и мо­дуль упругости при самой низкой плотности. Однако они имеют и недос­татки - низкие рабочие температуры (до 100°С) и плохая адгезия к боль­шинству полимерных матриц. Среди композитов этого типа можно также назвать органопластики (армированные пластики на основе органических полимерных волокон). В качестве армирующего наполнителя органопластиков применяют органические природные и синтетические волокна, ни­ти, жгуты, ткани, трикотаж, холсты и др. Разработаны и применяются и другие волокна. Свойства различных волокон приведены в табл. 11.1, где для сравнения даны характеристики высокопрочного стального волокна.

Таблица 11.1. Свойства различных армирующих волокон

Продолжение табл. 11.1