Полимерные композиционные материалы (ПКМ)

ПКМ, содержащие порошкообразные и газообразные наполнители, уже рассматривались в предыдущих главах. В этом разделе будут кратко рассмотрены ПКМ, содержащие анизометричные наполнители – нити, волокна, жгуты, ткани, бумагу, маты и др. Технология их изготовления включает получение полимерного полуфабриката (препрега) путём пропитки наполнителя полимерным связующим с последующей сушкой и отверждением связующего обычно в процессе прессования.

Слоистые пластики (ламинаты) изготавливают прессованием из листов бумаги или ткани, пропитанных термореактивными смолами – фенолоформальдегидной, эпоксидной, полиэфирной. Слоистые пластики применяются в строительстве, в мебельной промышленности, в приборостроении и др. В радиоэлектронике используются как жёсткие платы толщиной 0,25 – 3 мм, так и гибкие платы (0,25 – 0,1 мм). Слоистые пластики могут включать один или два поверхностных слоя металлической фольги: в радиоэлектронике используют слои медной фольги для дальнейшего изготовления заготовок печатных плат методом травления; для создания конструктивных и строительных лёгких элементов в слоистых пластиках используют тонкие листы алюминиевых сплавов, которые придают дополнительную жёсткость и прочность. Слои из сотопластов обеспечивают звукоизоляцию и ещё более облегчают панели из слоистых пластиков. Для строительства слоистым пластикам зачастую придают гофрированную форму.

Лёгкие высокопрочные детали, трубы, конструктивные элементы из ПКМ изготавливают из волокнитов: пучков волокон (и тканей) из стеклянных, углеродных, металлических, борных и органических (из ароматических полиамидов) волокон. Изделия из таких ПКМ широко применяются в авиастроении, ракетостроении, судостроении, где требуется максимальное соотношение прочность/масса. ПКМ зачастую дублируются со слоями из листов металлов, эластомеров (резины) для обеспечения высокой прочности, шумопоглощения, устойчивости к ударным нагрузкам.

Ранее рассмотренные полимеры – полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен и фторпроизводные полиолефины, простые и сложные полиэфиры, поликарбонаты, полиамиды, полиуретаны и др. используются как литьевые материалы для изготовления фасонных изделий, так и для изготовления плёнок и волокон. Волокна широко применяются при изготовлении композиционных материалов. Композиционные материалы содержат наполнители, соединённые в монолит при помощи связующего (матрицы). Многие свойства композитов определяются свойствами наполнителя, но тепло- и термостойкость в основном зависят от свойств связующего.

В качестве связующих применяют олигомеры или их смеси (смолы). Для достижения высокой теплостойкости используют такие смолы, которые при отверждении превращаются в полимеры с жёсткими звеньями и прочными химическими связями между цепями. Этим требованиям отвечают фенолоформальдегидные, меламиноформальдегидные, фурановые и кремнийорганические соединения. Их термоустойчивость характеризуют температурой деструкции, т.к. они являются сетчатыми полимерами и их Т_с выше Т_разл., а также выходом кокса после пиролиза в инертной среде при 1100 К.

Связующие на основе ненасыщенных олигоэфиров, а также эпоксидные обладают более низкой теплостойкостью. В этих полимерах густота сетки значительно реже и поэтому их теплостойкость определяется температурой стеклования Т_с (120 – 210 ⁰С). Чем плотнее сетка полимера, тем выше температура начала испарения продуктов деструкции и тем выше выход кокса.

Одновременно увеличение плотности сетки снижает устойчивость к динамическим нагрузкам. Для повышения устойчивости к динамическим нагрузкам в сетчатые полимеры добавляют гибкие линейные полимеры. Так, в фенолоформальдегидные смолы вводят поливинилбутираль (бутвар), полиамиды, поливинилхлорид. Хорошие результаты достигаются при введении нитрильного каучука СКН. Однако эти добавки снижают теплостойкость и стойкость к термодеструкции, поэтому необходимо искать допустимый компромисс.

Термоустойчивость кремнийорганических полимеров выше, чем фенолоформальдегидных. Снижение их прочности с повышением температуры происходит медленнее и полимеры сохраняют работоспособность в течение 200 ч вплоть до 300⁰С. При более высокой температуре наступает окисление боковых групп и разрыв связи Si – О. В сетчатых полисилоксанах связь Si – O сохраняется до 550 – 630 ⁰С. Некоторые свойства традиционных связующих представлены в таблице 11.

Таблица 11.

Свойства отверждённых смол.

Показатели	Фенолоформ- альдегидная Р-300	Новолачная фурфурольная ФН	Эпокси- резольная ЭТФ	Кремний- органическая К-9
Усадка при прессовании и термообработке, %	6,25	6,4	3,22	2,12
Плотность, г/см^3	1,19	1,25	1,23	2,12
ТКl ´ 10^6 при 273 К, 1/К		41,8		87,2
Еупр (растяж), МПа
sрастяж, МПа
sизгиб, МПа
sсжатие, МПа
sтекуч. при растяж. МПа
eразрыв. %	0,45	1,16	1,23	0,35
Ударная вязкость, КДж/м^2	3,6	8,2	7,5	2,3
Выход кокса при 1100 К, масс.%			19,9	-

Вопросы для самопроверки.

1. Основные компоненты слоистых пластиков.

2. Требования к компонентам слоистых пластиков.

3. Области применения слоистых пластиков.

Дата добавления: 2014-12-26