8.5. Термопластичные композиционные материалы

Непрерывноармированные термопласты. Армирование термопластов предполагает принципиально иной характер изменения их технических свойств благодаря возможности обеспечения объема армирования не только на традиционном для отверждающихся композиционных материалов уровне, равном 50 – 60 %, но и существенном превышении данного показателя в высоко - и предельноармированных (до 100 %) термопластах.

Непрерывно армированные термопласты с содержанием армирующей фазы до 50 – 70 % объемных обладают рядом технологических и конструкторских преимуществ перед армированными реактопластами.

Технологическими преимуществами являются: неограниченная жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, резкое сокращение циклов формования изделий из-за ненадобности отвержения связующего, возможность применения прогрессивных технологических способов производства (гибка, штамповка, химическая и диффузионная сварка), высокая ремонтопригодность, возможность утилизации отходов.

К конструкторским преимуществам относятся: низкий уровень остаточных напряжений, лучшие демпфирующие свойства и ударная вязкость, высокие электроизоляционные свойства, повышенные водо -, крио -, огнестойкость и т.д.

Основными недостатками в технологии производства непрерывно армированных термопластов является сложность пропитки волокнистых армирующих элементов (нитей, жгутов, тканей) высокомолекулярными термопластичными связующими. Для снижения вязкости используют такие технологические приемы, как пропитка растворами полимеров, повышение температуры расплава и снижение молекулярной массы полимеров. Проблему пропитки наполнителей решают повышением их смачивающей способности модификацией поверхности волокон (окисление, аппретирование и т.п.).

Решение проблемы пропитки достигается также твердофазным совмещением волокон (нитей) с термопластами в виде порошка, пленки или волокон. Недостатками твердофазного совмещения в случае использования порошков являются неравномерность их распределения и плохая дислокация в объеме полуфабрикатов. Недостатком пленочного варианта является неплотное прилегание матричной пленки к армирующей подложке при отсутствии адгезионного взаимодействия между ними.

Применение матричных термопластичных волокон позволяет избежать указанных недостатков при оптимальном чередовании непрерывных армирующих и матричных волокон. Термопласт оказывается еще до плавления равномерно распределенным по сечению полуфабриката и максимально приближенным к поверхности армирующих волокон.

Высокоармированные термопласты (ВАТП) – матричные композиционные материалы, в которых объемное содержание профилированных армирующих волокон составляет от 70 - 75 до 95 – 96 % для однонаправленных материалов и от 50 до 80 % – для ортотропных материалов при коэффициентах реализации механических свойств волокон не ниже 0,88 - 0,92 от исходных значений.

При формировании ВАТП используются значительно меньшие объемы связующего, при этом монолитизация осуществляется вытеснением пор из объема пластика за счет перепрофилирования (смятия) волокон.

Создание ВАТП включает три этапа:

– получение препрега с дозированным (5 – 30 %) количеством связующего в результате однократной пропитки. Пористость препрега после удаления растворителя должна находиться в интервале от 8 до 15 %;

– формирование из препрега беспористых высокоармированных монослоев. Ликвацию пористости препрега осуществляют перепрофилированием армирующих волокон, при этом волокнообразующий полимер и матрица должны деформироваться совместно;

– формирование под действием температуры и давления ВАТП из беспористых монослоев.

ВАТП многофункциональны и их применение эффективно вследствие высоких механических, теплофизических, диэлектрических и др. свойств компонентов. ВАТП могут получаться с использованием любых армирующих волокон.

Предельноармированные органоволокниты (ПАОВ) – органопластики с объемным содержанием органических волокон, равным 96 – 100 %. Способы получения таких материалов основаны на перепрофилировании (смятии) волокон. Перепрофилирование волокон с исходным (обычно круглым) сечением осуществляется в процессе поперечного сжатия препрега или заготовки изделия, в которой волокна уложены хаотически или в соответствии с заданной схемой армирования.

Монолитность ПАОВ достигается непосредственным соединением контактирующих поверхностей перепрофилированных волокон с помощью сварки, диффузионным взаимодействием или комбинированным соединением.

Отличительной особенностью ПАОВ является полное отсутствие матричной фазы или ее дискретное содержание в зонах неполного прилегания волокон. Другим важным свойством ПАОВ является то, что 96 – 98 % объема материала составляет высокоориентированный линейный полимер.

Материалы применяются для производства изделий, работающих при значительных растягивающих напряжениях (корпуса и емкости, работающие под внутренним давлением), а также в мало - и средненагруженных изделиях различного назначения.

По функциональному назначению можно выделить три группы ПАОВ: материалы на основе высокопрочных арамидных волокон; на основе волокон из нетугоплавких и тугоплавких полимеров (полиамидных и др.); на основе полиэтилентерефталатных, полиэтиленовых, полипропиленовых и др. волокон.

По виду сварочной монолитизации ПАОВ подразделяются на диффузионно - и химически сварные, а также с комплексной матрично-сварочной монолитизацией.