7.2 Принципы выбора материалов матриц и волокон

Одно из требований, предъявляемых к материалу матрицы вытекает из рассмотренного выше требования её пластичности. Но главным является обеспечение работоспособности в области высоких температур, для которых предназначен композит. Для изготовления композитов, работающих в области Т < 200⁰C, применяют полимерные матрицы. Именно к этой группе относится большинство композитов.

1. Стеклопластик – короткие стеклянные волокна в матрице из полиэфирной смолы. Этот композит применяется для изготовления корпусов автомобилей, лодок, различных бытовых приборов.

2. Термореактивные пластики – полимеры, в которых поперечные связи между цепями образуют молекулярную структуру с жёсткой трёхмерной сеткой. «Сшивка» связей в поперечном направлении обеспечивает более высокую термостойкость. Такими полимерами являются эпоксидные смолы. Но в последнее время стали использовать полимерные смолы, выдерживающие нагрев до 350⁰С.

Для более высоких температур применяются металлические матрицы. При этом разработчикам приходится считаться с большой массой деталей из композита, даже если применять металлы с малой плотностью – алюминий, магний, титан.

Материал, кроме теплостойкости, обладает и прочностью, которая дополняет прочность волокон, а пластичность металла придаёт композиту свойство вязкости. Наконец, для очень высоких температур применяют керамические матрицы. Недостатки керамики – отсутствие пластичности, волокна как раз и тормозят распространение трещин в керамике.

Итак, выбор материала матрицы определяется в первую очередь рабочей температурой композиционного материала.

Рассмотрим принципы выбора материала волокон.

Волокна, вследствие соотношения W~1/d, прочны из любого материала: из металлов, керамики, полимеров и углерода, но по другим свойствам они сильно различаются. Например, по прочности (по сопротивлению разрушению на растяжение) стеклянные волокна равны или даже чуть выше углеродных, но по жёсткости они существенно различаются: стекловолокно сильно растягивается (на 2…5%); углеродное волокно почти не деформируется. Поэтому, когда требуется жёсткость при больших нагрузках, стекловолокно не применимо.

В изделиях, подвергающихся ударам, требуется композит с высокой ударной прочностью. Мощным стимулом для разработки таких композитов явилась военная техника, требующая пуленепробиваемых материалов. Ни стекло, ни углерод для этого не подходят. Применяют менее жесткое, но ударопрочное полимерное армидное волокно.

Важнейшим принципом выбора волокна является его химическая совместимость с материалом матрицы. Для обеспечения синергизма требуется хорошее смачивание материала волокна расплавленной, ещё не затвердевшей матрицей при изготовлении композита. В то же время при взаимодействии с матрицей в процессе изготовления композита не должно протекать химических реакций, разрушающих волокно. Примерами могут служить полимерные волокна, которые обугливаются в расплаве металла, и углеродные, которые окисляются.

Если матрица смачивает волокно, то связь между ними возникает либо за счёт межмолекулярного сцепления, либо за счёт химической реакции (последняя как раз и нежелательна).

Таким образом, в выборе материала волокон руководствуются четырьмя критериями:

• видом прочности композита (постоянной или ударной);

• жёсткостью (деформируемостью) композита;

• смачиванием волокна и его химической устойчивостью в расплаве матрицы.