Технологии

Общая характеристика армированных пластиков

Армированные пластики широко применяются в авиационно-космической технике, различных отраслях машиностроения, строительстве, при изготовлении аттракционов, водных горок, бассейнов, спортинвентаря и других товаров народного потребления.

К достоинствам армированных пластиков относятся:

-     высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять сталь в конструкциях машин и механизмов;
-     устойчивость к воздействию агрессивных сред, что обеспечивает изделиям из них длительные сроки эксплуатации без применения защитных покрытий;
-     низкая материалоемкость изготовленных из них изделий, что позволяет снизить массу и расходы на эксплуатацию мобильной техники;
-     высокая технологичность, заключающаяся в возможности изготовления крупногабаритных изделий сложной формы без дорогостоящей технологической оснастки и оборудования;
-     возможность регулирования в широких пределах тепло- и электропроводности, радио- и светопрозрачности в зависимости от типа применяемых армирующих волокон;
-     возможность ремонта в «полевых» условиях без применения специального оборудования;
-     низкие капитальные затраты на организацию производства изделий из армированных пластиков;
-     работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.

Наибольшее распространение получили армированные полимерные композиты с использованием в качестве арматуры текстильных материалов на основе стекловолокна, что связано с его доступностью, низкой стоимостью и высокими прочностными свойствами.

Все необходимое сырье для производства стеклопластиков появилось еще в 30-х годах прошлого века. Массовое производство стеклянных нитей и пряжи стало возможным в 1932 году, когда была разработана технология производства стеклянных волокон из расплава. Подходящие для производства стеклопластиков связующие также появились в тридцатых годах ХХ столетия, когда в США была разработана технология изготовления полиэфирных смол. Чуть позже появились и перекисные отверждающие системы для этих смол. Принципиально с тех пор сырьевая база не изменилась, хотя, конечно, до сих пор проводится ее совершенствование и создание и новых смол, и новых отвердителей, и новых стекломатериалов.

В 40-х годах прошлого века появилась и острая нужда в новых материалах, способных удовлетворить требования создателей морской и авиационной военной техники.

Первым массовым потребителем полиэфирных стеклопластиков в гражданских отраслях промышленности стало производство судов. В 60-х годах прошлого века этот сектор стал крупнейшим потребителем армированных композитов, а чуть позже в лидеры вышла автомобильная промышленность благодаря крупносерийности своего производства.

Увеличение требований к армированным материалам привело к использованию в полимерных композитах сначала углеродных, а позднее органических высокомодульных волокон типа СВМ и кевлар. Этого требовало создание современной ракетно-космической и авиационной техники, необходимость снижения ее массы и одновременного повышения прочности и выносливости, а также обеспечения специальных технических свойств.

Наряду с разработкой новых материалов совершенствовались и технологии изготовления изделий из армированных композиционных материалов. Если первые изделия из стеклопластиков производились путем укладки на болванку стеклоткани, пропитанной композицией, содержащей смолу и отвердитель, то позже появились оборудование и технологии, позволяющие непрерывно напылять на технологическую оснастку все компоненты композиции - и рубленое стекловолокно, и смолу, и отвердитель - одновременно в заданном соотношении. Это, конечно, резко повысило производительность труда, улучшило санитарно-гигиенические условия, снизило себестоимость продукции из стеклопластика и позволило перейти к серийному производству крупногабаритных изделий из них.

Позднее были разработаны еще более совершенные, высокопроизводительные технологии, позволяющие получать изделия с высокими эстетическими свойствами и меньшими отходами производства способами намотки, пултрузии, впрыска в закрытую форму и др.

Таким образом, потребности промышленности в более совершенных материалах и технологиях с одной стороны, и возможности, появившиеся при создании новых сырьевых материалов и оборудования с другой стороны, способствовали расширению применения армированных пластиков в различных отраслях экономики.

Структура и свойства армированных пластиков

К армированным композитам принято относить материалы искусственного происхождения сложного состава, имеющие не менее двух непрерывных фаз с общей границей раздела. Одна из фаз называется матрицей, она отвечает за форму изделия, устойчивость композита к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкость, ударную прочность и другие свойства.

Не следует путать связующее с матрицей. Связующее - это полимерная основа, из которой после соответствующей обработки и образуется матрица. Важные характеристики связующего - технологические: вязкость, смачивающая способность, живучесть и др.

Второй обязательной фазой композиционного материала является армирующий наполнитель, частицы которого должны иметь длину не менее критической ?к, при которой может быть реализована прочность волокна. Критическая длина волокна зависит от его диаметра d, прочности при разрыве sв, прочности при сдвиге tсдв. на границе раздела «волокно - матрица» и может быть рассчитана по уравнению: