Высокопрочные волокна и композитына их основе

Кевлар - это арамидные волокна. Отличаются высокой прочностью (при равном весе они прочнее алюминия и стали).

Предел прочности кевлара – 2760 МПа и модуль
упругости - 131000 МПа, т.е. в 2,5 раза большей прочностью и в 3 раза большей жесткостью, чем электротехническое стекловолокно, при этом его плотность составляет 1,45 г/см³ - всего 43% от плотности стекловолокна. Он лучше противостоит разрушению, вибрации и распространению трещин, великолепно держит ударные нагрузки.

Недостатком является невысокая стойкость к абразивным воздействиям. При значительно большей, чем у стекловолокна прочности на разрыв, он проигрывает ему при изгибе и в два раза слабее на сжатие.

Поведение кевлара при сжатии сильно отличается от стекловолокна. Если стекловолоконный ламинат при высокой нагрузке разрушается резко и обширно (хрупко), то поведение кевларового ламината при сжатии напоминает поведение вязкого металла.

Тем не менее этот материал можно использовать для местных усилений - например, по швам. Существуют "гибридные" материалы, содержащие помимо кевлара еще стеклянные и (или) углеродные волокна, компенсирующие слабые стороны кевлара.

Материал разрушается под действием ультрафиолета и не должен находиться на солнце без защиты пигментированной смолой или иным покрытием, содержащим ингибитор ультрафиолета. Чаще всего используется композит на базе кевлара с тефлоновым покрытием.

Из-за своей прочности кевлар очень тяжело режется, как в виде ткани, так и в виде ламината, для работы с ним необходим твердосплавный режущий инструмент.

Стоимость кевларовой ткани во много раз выше стеклоткани, даже несмотря на то, что материал становится все более доступен благодаря прочим сферам его применения.

Карбон - это углеродное волокно (графит). По своей прочности на разрыв углеродное волокно уступает кевлару, однако значительно превосходит его при работе на сжатие. Одновременно углеродное волокно обладает очень низкой стойкостью к ударным нагрузкам. Для компенсации слабых мест того и другого, оба материала иногда применяют в виде "гибрида".

Помимо малой прочности при ударных нагрузках, углеродное волокно плохо работает на сдвиг и его следует защищать от абразивных воздействий.

Материалы из углеродного волокна имеют черный цвет, сохраняя его и после пропитки смолой.

Углеволоконная пыль опасна при вдыхании внутрь, поэтому при работе с материалом необходим респиратор. При контакте с металлами в соленой воде углепластик вызывает сильнейшую коррозию и подобные контакты следует исключать.

Угольное волокно в виде пучков волокон, нитей и текстиля используется в качестве наполнителя для композитов из различных полимерных смол, называемых углепластиками (карбопластами).

Полосы, ленты и ткани из углепластика применяются для армирования участков, где необходима повышенная прочность и жесткость, а также для усиления элементов несущих конструкций, резервуаров, пролетных строений мостов, подкрановых балок и т.д. Соединение изделий из углепластика с другими материалами и конструкциями выполняется при помощи клеевых составов, чаще всего на основе эпоксидной смолы.

Предел прочности углепластиков на растяжение составляет
до 3500 МПа, а модуль упругости 300000 МПа.

В конце прошлого века на основе графитовой сажи были получены исключительно устойчивые молекулярные структуры - углеродные нанотрубки, обладающие прочностью и жесткостью близкой к керамическим мономолекулярным нитям, с пределом прочности около 10000 МПа, и модулем упругости 700000 МПа.

Рис. 4.3. Углеродная нанотрубка.

Длина первых искуственно полученных волокон из углеродных нанотрубок составляла доли миллиметра, сейчас же получают нити километровой длины, создают сложные структуры из ветвящихся и переплетающихся нанотрубок, многослойные композиты из нанотрубок и полимерных смол и даже полимерно-металлические сплавы.

Несмотря на то, что прочностные показатели изделий на основе углеродных нанотрубок значительно уступают исходному материалу, они находят все большее применение в строительстве – например, в качестве присадок для дорожных бетонов, повышающих устойчивость к истиранию.

В перспективе же углеродные нанотрубки заменят карбон и стекловолокно в композитных материалах.

Дата добавления: 2014-01-20