Механика и технология композиционных материалов


С.Л. БАЖЕНОВ





                МЕХАНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

    Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований по проекту № 13-03-07008




    С.Л. Баженов

       Механика и технология композиционных материалов: Научное издание / С.Л. Баженов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 328 с.
    ISBN 978-5-91559-160-7

       В учебно-справочном руководстве описаны! технология изготовления, механические свойства и разрушение композиционных материалов на основе полимерных матриц.
       В последние годы существенное значение приобрели композиты бытового назначения, используемые в корпусах автомобилей и маломерных судов. Детально изложена технология производства стеклянных, углеродных, борных и органических волокон. Описаны термореактивные и термопластичные полимерные матрицы, а также технология формования высокопрочных композитов и композитов бытового назначения на их основе.
       Дана теория разрушения волокнистых композиционных материалов и наполненных композитов.
       Книга предназначена для научных и инженерных работников, занимающихся применением и разработкой композитов в автомобильной промышленности, судостроении, авиационной и космической технике, а также для студентов и преподавателей материаловедческих и технологических специальностей.













ISBN 978-5-91559-160-7

       © 2013, С.Л. Баженов
       © 2014, 000 Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

         ОГЛАВЛЕНИЕ









    Предисловие........................................................ 11

    Глава 1
    ВВЕДЕНИЕ........................................................... 13
       1.1. Определение.............................................. 19
       1.2. Масштабные уровни структуры...............................21
       1.3. Волокна и матрица.........................................23
       1.4. История разработки композитов.............................25
       1.5. Показатели эффективности..................................28
       Список литературы...............................................30

    Глава 2
    ВОЛОКНА............................................................32
       2.1. Стеклянные волокна........................................36
          2.1.1. Типы стекловолокон...................................37
          2.1.2. Производство стекловолокон...........................38
       2.2. Борные волокна............................................39
       2.3. Углеродные волокна........................................41
          2.3.1. Производство волокон.................................43
       2.4. Органические волокна......................................47
          2.4.1. Арамидные волокна....................................47
          2.4.2. СВМПЭ-волокна........................................50
       2.5. Термостойкие волокна......................................52
       2.6. Натуральные волокна.......................................53
       2.7. Замасливатели и аппреты...................................54
       2.8. Форма волокон.............................................54
          2.8.1. Ткани................................................55
          2.8.2. Нетканые материалы...................................58

_1 Оглавление

           2.8.3. Препреги................................................59
           2.8.4. Плетеный текстиль.......................................60
           2.8.5. Прошивка................................................60
           2.8.6. Заготовки...............................................61
        2.9. Гибридные композиты .........................................62
        Список литературы.................................................62

    Глава 3
    МАТРИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА.................................................64
        3.1. Радикальная полимеризация....................................65
        3.2. Реакция поликонденсации......................................67
        3.3. Кристаллические и аморфные полимеры..........................67
        3.4. Температура стеклования......................................69
        3.5. Термопласты и реактопласты...................................70
        3.6. Стойкость к действию растворителей...........................71
        3.7. Газопроницаемость............................................72
        3.8. Стойкость к ультрафиолетовому излучению......................73
        3.9. Пропитка волокон.............................................74
      3.10. Ненасыщенные полиэфирные смолы................................75
           3.10.1. Химическая структура ненасыщенных полиэфиров...........76
           3.10.2. Свойства...............................................77
           3.10.3. Двухосновные кислоты...................................77
           3.10.4. Гликоли................................................79
           3.10.5. Мономерные добавки.....................................79
           3.10.6. Отверждение смолы......................................80
           3.10.7. Ингибиторы отверждения.................................81
           3.10.8. Ускорители отверждения.................................82
           3.10.9. Объемный формовочный компаунд..........................82
           3.10.10. Отверждение...........................................83
           3.10.11. Добавки...............................................84
      3.11. Эпоксидные смолы..............................................84
           3.11.1. Структура..............................................85
           3.11.2. Отверждение............................................85
                 3.11.2.1. Отвердитель....................................87
                 3.11.2.2. Пропитка волокон.............................. 88
                 3.11.2.3. Температура отверждения....................... 88
           3.11.3. Препреги...............................................89
           3.11.4. Адгезия................................................90

Оглавление -*J   5

       3.11.5. Усталостная прочность................................90
       3.11.6. Ползучесть...........................................90
       3.11.7. Вязкость разрушения..................................91
       3.11.8. Изготовление пресс-форм..............................93
  3.12. Сложные винилэфирные смолы..................................93
       3.12.1. Структура............................................94
       3.12.2. Коррозионная стойкость...............................96
  3.13. Фенольные смолы.............................................97
       3.13.1. Структура............................................97
       3.13.2. Отверждение..........................................98
       3.13.3. Свойства.............................................99
             3.13.3.1. Горючесть................................... 99
       3.13.4. Применение......................................... 100
  3.14. Углерод-углеродные композиты.............................. 100
       3.14.1. Производство....................................... 101
  3.15. Полиимиды................................................. 102
       3.15.1. Бисмалеимиды......................................... 103
  3.16. Цианаты................................................... 104
  3.17. Полиуретаны................................................. 105
       3.17.1. Свойства и применение.............................. 107
  3.18. Кремнийорганические полимеры.............................. 107
  3.19. Дициклопентадиен.......................................... 110
  3.20. Термопластичные матрицы................................... 110
       3.20.1. Термопластичные композиты широкого потребления..... 111
       3.20.2. Термостойкие матрицы............................... 113
             3.20.2.1. Полиэфирэфиркетон.......................... 113
             3.20.2.2. Полисульфон................................ 114
             3.20.2.3. Термопластичные полиимиды.................. 114
       3.20.3. Жидкокристаллические полимеры...................... 116
       3.20.4. Фторопласты.......................................... 116
  Список литературы............................................... 117

Глава 4
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ........................................................ 119
   4.1. Формование композитов широкого потребления в открытых формах........................................................ 119
       4.1.1. Наружный полимерный слой............................ 119

_1     Оглавление

       4.2. Ручная послойная выкладка.................................. 120
           4.2.1. Формование........................................... 121
       4.3. Напыление.................................................. 122
       4.4. Изготовление пресс-форм.................................... 123
           4.4.1. Извлечение деталей................................... 125
       4.5. Формование высокопрочных композитов в открытых пресс-формах................................................... 126
           4.5.1. Ручная послойная выкладка препрегов.................. 126
           4.5.2. Автоматизированная послойная выкладка................ 127
       4.6. Вакуумформование........................................... 127
           4.6.1. Отверждение.......................................... 129
       4.7. Отверждение в автоклаве.................................... 130
       4.8. Методы неавтоклавного отверждения.......................... 130
       4.9. Прессование................................................ 131
           4.9.1. Прессование компаундов............................... 133
           4.9.2. Прессование заготовок................................ 134
           4.9.3. Прессование препрегов................................ 134
      4.10. Инжекция термореактивной смолы............................. 134
           4.10.1. Вакуумная инжекция термореактивной смолы............ 136
           4.10.2. Термокомпрессионное формование...................... 136
           4.10.3. Метод матричной пленки.............................. 136
           4.10.4. Центробежное литье.................................. 138
      4.11. Намотка.................................................... 138
           4.11.1. Намотка препрегом................................... 142
           4.11.2. Оправки............................................. 142
           4.11.3. Намоточные станки................................... 143
      4.12. Машинная укладка волокон................................... 145
      4.13. Пултрузия.................................................. 145
      4.14. Производство композитов на основе термопластов............. 149
           4.14.1. Формование композитов, армированныхкороткими волокнами................................................... 150
                 4.14.1.1. Экструзия................................... 150
           4.14.2. Литье под давлением................................. 151
           4.14.3. Формование в открытых формах........................ 152
           4.14.4. Пултрузия........................................... 153
           4.14.5. Прессование......................................... 154

Оглавление

Л

7

           4.14.6. Специфические методы формования термопластичных композитов..................................................... 154
            4.14.7. Последовательное формование........................... 156
                  4.14.7.1. Двухстадийное формование...................... 156
                  4.14.7.2. Прокатка ..................................... 156
       4.15. Ремонт композитов............................................ 156
            4.15.1. Повреждение при ударе................................. 157
            4.15.2. Оценка поврежденности................................. 159
            4.15.3. Технология ремонта.................................... 160
                  4.15.3.1. Внешняя накладка.............................. 160
                  4.15.3.2. Ремонт с заменой поврежденной области......... 161
       4.16. Обозначение схемы укладки слоев.............................. 163
       4.17. Усталость.................................................... 166
       4.18. Остаточные напряжения........................................ 168
       4.19. Сэндвич-структуры............................................ 169
            4.19.1. Сердцевина............................................ 170
            4.19.2. Производство сэндвич-структур......................... 170
       4.20. Соединение деталей из композита.............................. 171
            4.20.1. Механическое соединение............................... 171
            4.20.2. Склеивание............................................ 173
                  4.20.2.1. Состав клеев.................................. 175
            4.20.3. Другие методы соединения.............................. 177
       4.21. Конечная обработка........................................... 177
            4.21.1. Водоструйнаярезка..................................... 178
            4.21.2. Лазерная резка........................................ 179
       Список литературы.................................................. 179


    Глава 5 РАЗРУШЕНИЕ........................................................ 181
       5.1. Что такое разрушение?..................................... 181
       5.2. Механизмы разрушения...................................... 184
           5.2.1. Хрупкое разрушение.................................. 186
           5.2.2. Пластическое разрушение............................. 186
           5.2.3. Квазихрупкое разрушение............................. 189
           5.2.4. Крэйзы.............................................. 189
       5.3. Механические характеристики............................... 191
           5.3.1. Виды разрушения..................................... 192

-JU Оглавление

       5.4. Теория хрупкого разрушения Гриффитса—Орована............... 193
           5.4.1. Теоретическая прочность.............................. 193
       5.5. Концентрация напряжений.................................... 197
           5.5.1. Теория Гриффитса..................................... 199
           5.5.2. Теория Орована........................................200
           5.5.3. Методы измерения вязкости разрушения..................203
                5.5.З.1. Метод податливости ............................203
                5.5.3.2. Сильный изгиб консолей.........................205
           5.5.4. Плосконапряженное состояние и плоская деформация......208
           5.5.5. Размер зоны! пластичности.............................209
           5.5.6. Температура и скорость нагружения.....................212
       5.6. Вязкость разрушения волокнистого композита..................212
       5.7. Поперечное разрушение.......................................214
           5.7.1. Энергия упругой деформации волокна....................215
           5.7.2. Отслоение волокон.....................................216
           5.7.3. Извлечение волокон....................................216
           5.7.4. Адгезионное разрушение ...............................217
           5.7.5. Слой адгезива.........................................219
        Список литературы................................................220

    Глава 6 ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ................................................223
       6.1. Продольный модуль упругости.................................223
       6.2. Поперечный модуль упругости.................................224
       6.3. Модуль сдвига...............................................226
       6.4. Влияние температуры.........................................227
       6.5. Коэффициент Пуассона........................................228
       6.6. Прочность...................................................229
           6.6.1. Поперечное растяжение.................................229
           6.6.2. Пластичная матрица....................................230
                6.6.2.1. Регулярная решетка волокон.................... 230
                6.6.2.2. Случайно распределенные волокна............... 231
       6.7. Внутрислоевой сдвиг.........................................234
       6.8. Продольное растяжение.......................................236
           6.8.1. Растяжение под углом к оси волокон....................236
       6.9. Осевое растяжение...........................................241
           6.9.1. е > ет................................................241
           6.9.2. ef < ет...............................................243

Оглавление. —J 9

  6.10. Растрескивание.............................................246
       6.10.1. Исчерпание несущей способности волокон..............249
  6.11. Теория Розена..............................................251
       6.11.1. Неэффективная длина волокна.........................253
       6.11.2. Малые степени армирования...........................257
       6.11.3. Пластичная матрица..................................257
       6.11.4. Прочность пучка волокон.............................258
       6.11.5. Средняя прочность волокон...........................260
  6.12. Размотка...................................................262
       6.12.1. Отслоение разрушенного волокна......................265
       6.12.2. Растрескивание вблизи отверстия.....................266
  6.13. Коэффициент реализации прочности волокон...................269
  6.14. Влияние температуры........................................270
  Список литературы................................................272

Глава 7
РАЗРУШЕНИЕ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ СЖАТИИ...................................274
   7.1. Потеря устойчивости волокон................................275
   7.2. Исчерпание несущей способности волокон.....................279
       7.2.1. Разрушение органопластика при повышенной температуре ................................................285
   7.3. Разрушение стеклопластика..................................289
       7.3.1. Крутка нити..........................................291
       7.3.2. Потеря устойчивости стеклянных волокон...............292
   7.4. Разрушение углепластика....................................294
       7.4.1. Высокопрочные углеродные волокна.....................295
            7.4.1.1. Влияние отверстия ........................... 295
            7.4.1.2. Влияние пор.................................. 299
            7.4.1.З. Разрушение при повышенной температуре........ 299
   Список литературы...............................................300

Глава 8
РАЗРУШЕНИЕ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ........................303
   8.1. Предел прочности.......................................... 305
       8.1.1. Модель регулярной упаковки частиц....................306
       8.1.2. Модель композита со случайно распределенными частицами...................................................308
       8.1.3. Крупные частицы......................................309

¹⁰ -V

Оглавление

    8.2. Деформация при разрыве..........................................313
        8.2.1. Однородно деформирующиеся матрицы.........................314
        8.2.2. Матрицы, деформирующиеся путем распространения шейки............................................................315
    8.3. Верхний предел текучести........................................316
    8.4. Нижний предел текучести.........................................317
        8.4.1. Переходы механизмов разрушения............................318
        8.4.2. Переход к хрупкому  разрушению............................318
             8.4.2.1. Хорошая адгезия .................................. 319
             8.4.2.2. Слабая адгезия ................................... 321
                    8.4.2.2.1. а^< aу. Переход к хрупкому разрушению ... 321
                   8.4.2.2.2. ап> <ау. Переход к однородному пластическому течению ............................................. 323
    Список литературы....................................................325

         ПРЕДИСЛОВИЕ










               В настоящее время наблюдается стремительный рост производства полимерных композитов, проникновение их в самые различные области техники, успешное вытеснение ими многих традиционных материалов: металлов, керамики, стекла, древесины и полимеров. Соответственно растет число изобретений и новых технологий, конференций, научных публикаций, посвященных проблемам создания композиционных материалов, специалистов, занятых этими проблемами, и готовящих их учебных кафедр.
       Рекордные характеристики полимерных композитов пленяют воображение читателей научно-популярных изданий. Аэрокосмическая и спортивная техника в авангарде, а за ней и другие отрасли промышленности и сельского хозяйства берут их на вооружение, добиваясь все новых эффектов в прочности, легкости, технологичности, коррозионной стойкости и т. д.
       Можно ли утверждать, что полимерные композиты — открытие второй половины XX в.? Нет, ведь резина — классический полимерный композит — была изобретена в середине прошлого века. Первый синтетический пластик — фено-лоформальдегидную смолу — догадались смешивать с минеральными наполнителями немедленно после ее изобретения. Поиски предшественников современных композитов уводят нас в далекое прошлое человечества. В Библии описана технология получения саманных кирпичей, армированных соломой. Археологические раскопки доказывают, что тростник и дерево пропитывали природными смолами уже за 5000 лет до н. э. Каолин использовали в Китае еще за 1000 лет до н. э. Большинство других природных наполнителей — карбонаты, тальк, оксиды металлов, асбест, древесную муку, целлюлозу — стали применять в комбинации сначала с природными, а затем и с синтетическими полимерами на рубеже XIX—XX вв.
       Стеклянные волокна стали использовать в полимерных композитах, как только было создано их промышленное производство, и уже во время Второй мировой войны из них делали элементы обшивки и короба в авиации. Базальтовые волокна применили для армирования композитов впервые в нашей стране. Новые синтетические наполнители с начала 1960-х гг. обеспечивают дальнейший прогресс в получении необычных комбинаций свойств композитов.
       Борные волокна появились в 1959 г., арамидное высокопрочное волокно кевлар создано фирмой «Дюпон» (США) в середине 1960-х гг.; короткие волокна из нержавеющей стали для получения электропроводящих композитов и

Л

Предисловие

    покрытые никелем частицы слюды для этой же цели введены в промышленную практику в конце 1970-х — начале 1980-х гг. Бурное развитие наполнителей сопровождалось активным поиском поверхностно-активных веществ, которые способствовали бы лучшему взаимодействию между наполнителем и полимерной матрицей. Применение промежуточного вещества для улучшения взаимодействия между двумя несовместимыми веществами обосновал Платон. Известный специалист в области силановых аппретов Е. Плюдеманн отыскал в трудах великого философа концепцию совместимости, которая ему понадобилась для объяснения того, как Вселенная могла быть построена из несовместимых компонентов (земли, воды, воздуха и огня). Три первых компонента Вселенной Платона нашли применение в полимерных композитах, а над проблемой обуздания огня (в смысле достижения негорючести) трудятся в наше время многие исследователи. Силановые аппреты были созданы одновременно со стеклопластиками и долгое время занимали доминирующую роль. Стеарат кальция начали добавлять в пластмассы еще в начале XX в. В 1975 г. на мировом рынке появились конкурирующие с силанами органические титанаты, а затем и органические цирконаты.
       История развития наполнителей и модификаторов интересна и поучительна. Стоит обратить внимание на то, что эти процессы практически не затронули полимерные матрицы. Их синтезировали и затем через некоторое время в них стали вводить тот или иной наполнитель. Сначала это были тсрмореактивные смолы, которые в виде жидких низковязких олигомеров относительно легко было смешать с наполнителем или пропитать ими наполнитель. В 1930-е гг. начали вводить наполнители в эфиры целлюлозы, а затем в ПВХ. После Второй мировом войны термопласты заняли доминирующее положение в производстве пластиков. До самого последнего времени для этих целей использовали промышленные полимеры. Производство композитов породило множество научных и технологических проблем.
       Долгое время развитие технологии композиционных полимерных материалов базировалось на изобретательстве, но в наше время развитие технологии определяется научными исследованиями, ведущимися широким фронтом. Параллельно эмпирическим исследованиям развивается теория композиционных материалов. Усилия теоретиков сосредоточены на расчетах механических свойств композитов и некоторых физико-химических свойств. До последнего времени наиболее глубоко были проработаны вопросы, относящиеся к композитам, армированным непрерывными волокнами. Для этого класса композитов характерно, что их создание происходит одновременно с образованием изделия. Наполненные короткими волокнами и частицами различной формы композиты в большинстве случаев сначала получают в форме полупродукта (препрега, гранулята или порошка) и только затем формуют из него изделие. Двойная переработка осложняет расчет свойств материала в изделии.
       Главы 5—8 данной книги основаны на монографии: Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы. Прочность и технология. — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2010.

ГЛАВА


        ВВЕДЕНИЕ


1

           Развитие наук происходит путем чередования стадий постепенного накопления знаний и революционных переворотов. В физике такой переворот произошел в начале XX в. и появилась современная квантовая физика. В науке о материалах он произошел в 1960-е гг. В западной литературе этот переворот получил название «революции в материаловедении». Эта революция привела к появлению целого ряда новых материалов — полимеров, керамик, волокнистых и наполненных композиционных материалов, а также материалов с поверхностными покрытиями. Как следствие, возникла необходимость широких научных исследований новых материалов, и, как сосчитали американцы, в настоящее время примерно каждый третий ученый занимается наукой о материалах.
   Сейчас материалы делят на четыре класса — металлы, керамики, полимеры и композиционные материалы [1], [2]. Соответственно наука о материалах разделилась на четыре отдельные науки. До 1960 г. непрерывно росла роль металлов, однако затем их роль начала снижаться и стала расти доля полимерных, композиционных и керамических материалов (рис. 1.1). В университетах США и Европейского союза помимо физических, химических и биологических факультетов появились факультеты полимеров, металлов, керамик и композиционных материалов. В западных университетах сейчас обязательно имеется хотя бы один материаловедческий факультет, но во многих университетах есть два таких факультета. Отечественные классические университеты появление новых наук в основном проигнорировали, и их структура соответствует 30—40-м гг. XX в.
   В данной книге рассматриваются технология и механика композиционных материалов. Эта наука родилась в начале 1940-х гг. и развивалась исключительно быстро. На памяти автора уже дважды изменилась отрасль индустрии, являющаяся основным потребителем волокнистых композитов. Соответственно изменилось, а точнее, расширилось представление о том, что представляют собой композиционные материалы. В 1970-х гг. основными потребителями композитов была военная и космическая промышленность. Поэтому волокнистые композиционные материалы представлялись прежде всего как корпус ракеты, испытывающей растяжение под действием внутреннего давления (рис. 1.2). Во второй половине 1980-х гг. на первое место вышло производство спортивного инвентаря. Для профессионального велосипедиста неважно, сколько стоит его велосипед. Главное, чтобы велосипед был чуть легче и быстрее, чем у соперника. Как в космонавтике, так и в спортивной индустрии основной задачей явля-

000 дон. э. 5000дон.э.  0    1000 1500 1800

1900

1940

1960

1980

1990

2000

2010

2020

о



о

О

Золото ..
------Медь
              Бронза
                  Железо

[полимеры]

Дерево Кожа Волокно

Клеи

|МЕТАЛЛЫ |

|МЕТАЛЛЫ |

| композиты]

Саман
  Камень
   Кремень
     Гончарные изделия
         Стекло
                Цемент

|керамики]

Чугун
     Сталь

Стальные сплавы

Легкие металлы

Каучук

Бакелит

Нейлон

Огнеупорная керамика

ПЭ

ПК

Портландцемент

10 000 дон. э. 5000дон.э.  0    1000 1500 1800

Стеклообразные металлы Сплавы AI—Li Двухфазные стали Микросплавные стали Новые суперсплавы

Суперсплавы

Титан | Цирконий ? Сплавы и т. д. |      /

ПММА ПС



Медленное развитие. В основном контроль качества и технологии

^|ПОЛИМЕ~РЫ] Проводящие полимеры

Термостойкие полимеры

Высокомодульные полимеры

    Полиэфиры Эпоксиды

Металло-композиты

[композиты] Керамические композиты

Акрилы

ПП

Органопластики

Углепластики

|керамики]

п ______Z****^~              ~Вязкие инженерные керамики
11лавленыи Металлокерамика Стеклопластики /д| q с: м ре/ и до г | кварц ।^ирокерамика ² ³*                          ⁴*,

1900       1940
Годы

1960

1980

1990

2000

2010

2020

Рис. 1.1. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая изменение относительной роли четырех основных типов конструкционных материалов (керамик, композиционных материалов, полимеров и металлов) с течением времени

Глава 1. Введение

Глава 1. Введение

ется снижение веса и повышение технических характеристик продукции. Это является основным преимуществом композитов, о котором знают все, кто хоть что-то слышал о них. Традиционно в этих отраслях не очень принято считать деньги. Это относится и к гражданским самолетам последнего поколения типа Боинг-787 (Дримлайнер), почти наполовину состоящим из углепластика. Правда, в последнем случае деньги считают, но выигрыш от экономии топлива превышает затраты на использование дорогого материала.


Рис. 1.2. Установка «Тополь-М»

   В последнее время ситуация принципиально изменилась, и основным потребителем композиционных материалов стала автомобильная промышленность, где из них делают корпуса автомобилей. Основной целью применения композитов (в основном стеклопластика) в этом случае является снижение стоимости. Утрированно, в автомобильной отрасти материал лучше, если изделие из него дешевле. При этом часто дешевле не сам материал, а изготовление детали. Одним из основных преимуществ композитов часто является относительная простота и дешевизна изготовления деталей. Помимо автомобилестроения, композиты широко используются в маломерных судах. Около 20 % населения земного шара живет вблизи морского побережья. Многие живут на берегах рек и также имеют лодки, катера и небольшие яхты. В технически развитых странах лодки теперь не долбят из стволов деревьев и не варят из стальных листов, а получают напылением стеклопластика. Корпус такой лодки получается за нескольких операций и не ржавеет, процесс напыления недорог и не требуется регулярная покраска лодки.
   В автомобилестроении волокнистые композиты конкурируют с листовым металлом. При больших объемах выпуска автомобиля дешевле металлический корпус. Для его изготовления требуются мощные прессы и дорогие пресс-формы, применение которых экономически оправдано лишь при больших объемах

¹⁶ -V

Глава 1. Введение

производства. Поэтому сейчас из металла делают корпуса легковых автомобилей, объем производства которых превышает 100 000 штук в год. При меньших объемах дешевле стеклопластик. Как следствие, из стеклопластика сейчас делают кабины мощных грузовиков и корпуса дорогих спортивных автомашин. В Москве на обочине частенько можно видеть попавшие в аварию скоростные машины с торчащими из корпуса пучками стекловолокон. Грузовиками управляют профессионалы, в аварию они попадают реже, и многие думают, что кабины грузовиков, как и прежде, сделаны из металла. Люди с сомнением относятся к новым материалам, и покупателям машины «Урал» (рис. 1.3) могут дать в руки хороший молоток, предлагая ударить им по кабине для оценки ее прочности. Сейчас волокнистые композиционные материалы представлены, прежде всего, в корпусах автомобилей, катеров, в так называемых «акриловых» ваннах и душевых кабинах, а только потом в ракетах «Тополь», беговых лыжах и досках для сноуборда.


Рис. 1.3. Машина «Урал»

   В связи с принципиальным различием областей применения и требованиями к композиционным материалам их разделяют на две большие группы. Их называют «композитами широкого потребления» и «высокопрочными», или «передовыми», композитами. Они различаются как типом волокон и матрицы, так и технологией изготовления. Естественно, строгой границы между композитами двух типов нет.
   В высокопрочных композитах используют непрерывные волокна и прочные, а зачастую и термостойкие матрицы. Высокопрочные композиты применяют в

Глава 1. Введение

-1^ 17

аэрокосмической промышленности, в спортивной технике и машиностроении. Как следует из названия, композиционные материалы широкого потребления применяют в лодках, катерах, сантехнике, коррозионно-стойких трубах, деталях домашних приборов, контейнерах, мебели и музыкальных инструментах. В последние годы стала преобладать именно эта часть композиционных материалов. Применение высокопрочных композитов также росло, но медленнее, чем композитов широкого потребления. Использование волокнистых композитов в различных отраслях техники иллюстрирует рис. 1.4. Их основными потребителями являются транспорт, строительная индустрия, судостроение, различные электроприборы и коррозионно-стойкие материалы.


Строительство
21 %

Коррозионно-стойкие материалы ____    11%

Судостроение
12% __

Транспорт 33%

Бытовая техника 7%

Рис. 1.4. Использование волокнистых композитов в различной технике. Общий объем производства композиционных материалов в США оценивается в 1,8 млн т

Приборы 5% Авиастроение 1%






   Композиты классифицируют и по типу применяемой полимерной матрицы. Полимерные матрицы делят на реактопласты (термореактивные смолы) и термопласты. Реактопласты — это жидкие смолы с относительно низким молекулярным весом, из-за чего они в подогретом виде легко пропитывают волокна. В процессе отверждения реактопласты образуют поперечные сшивки и постепенно превращаются в твердый материал. Их основным недостатком является хрупкость.
   Термопласты при нагревании плавятся, как лед или металлы, и в жидком виде ими пропитывают волокна. Затем их охлаждают, и они твердеют. Примером термопласта может служить полиэтилен низкой плотности, из которого делают упаковку для хлеба и других продуктов.
   Особенностью всех полимеров является очень сильное возрастание их вязкости течения с молекулярной массой, т. е. с длиной полимерной цепи, что иллюстрирует рис. 1.5. При небольшой длине цепей вязкость пропорциональна молекулярной массе, но в полимерах она описывается формулой

7 = АМ³’⁵,                         (1.1)

¹⁸ -V

Глава 1. Введение

где М — молекулярная масса полимера. Согласно уравнению (1.1), при увеличении молекулярной массы полимера в 10 раз вязкость их течения возрастает примерно в три тысячи раз. По причине высокой молекулярной массы термопласты имеют высокую вязкость течения, и пропитать ими волокна гораздо труднее, чем маловязкой смолой. Это является основным недостатком термопластичных матриц.


Рис. 1.5. Зависимость вязкости от молекулярной массы полимера М

   Полимеры используют как в неармированном виде, так и в качестве матриц в композитах. Доля термопластов во всем объеме полимеров равна примерно 80 %, а остальные 20 % приходятся на долю реактопластов. Термопласты используют в основном в неармированном виде. На композиционные материалы приходится примерно 20 % от общей доли полимеров. В рамках этого сектора уже реактопласты занимают около 80 %. Это связано с проблемами пропитки волокон термопластами. Таким образом, в случае армированных пластиков доминируют уже реактопласты.
   В последние десятилетия был достигнут впечатляющий прогресс в химии и производстве полимеров. Синтезировано более двух миллионов полимеров. Химики легко могут варьировать свойства полимеров изменением их химической структуры. Они, как умелый повар, могут делать почти все, что угодно, причем сравнительно недорого. И если еще лет двадцать назад у разработчика композитов широкого выбора волокон и матричных полимеров не было и он