ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра физики твердого тела

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 7-11

по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов

в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий

из композиционных материалов») очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук А.В. Калгин

УДК 620.171.2

Методические указания к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 7-11 по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.В. Калгин. Воронеж, 2015. 42 с.

В методических указаниях рассматриваются основные виды и методы контроля качества полимерных матриц, наполнителей и полимерных композиционных материалов на их основе. Обсуждены методы формования изделий из полимерных композиционных материалов.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Прак. занятия № 7-11.doc.

Табл. 1. Ил. 11. Библиогр.: 6 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.В. Ожерельев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

Ó ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Практическое занятие № 7

Матрицы полимерных композиционных материалов

Цель работы: познакомиться с различными классами полимерных связующих, их достоинствами и недостатками.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Разработка полимерных матриц для ПКМ − серьезная и важная проблема, поскольку многие свойства ПКМ определяются матрицей. В первую очередь именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон − зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения и ударная вязкость. Их температурное поведение, ударная прочность, водо- и атмосферостойкость, химическая стойкость, трансверсальные (поперек волокон) механические свойства ПКМ решающим образом определяются полимерной матрицей и свойствами границы раздела фаз. Кроме того, при разработке связующих необходимо учитывать и их технологические свойства (время, кинетика отверждения, вязкость и давление переработки, смачиваемость армирующего материала, усадка и прочие), так как часто именно эти свойства могут оказаться решающими.

Полимерные связующие делятся на два основных класса: термореактивные (олигомеры) и термопластичные. Первые обычно представляют собой сравнительно низковязкие жидкости (при температуре переработки), которые после пропитки армирующего материала (волокон, нитей, лент, тканей) в результате химических реакций превращаются в неплавкую твердую полимерную матрицу. Этот химический процесс называется отверждением. Вторая группа − линейные полимеры, которые могут при повышении температуры многократно переходить в жидкое расплавленное состояние.

Отметим главные достоинства и недостатки термореактивных связующих в целом. К достоинствам следует отнести:

1) хорошие технологические свойства: низкая вязкость связующего, хорошая смачиваемость и пропитываемость армирующего материала, сравнительно низкие температуры отверждения;

2) хорошая адгезия к большинству волокон;

3) повышенная теплостойкость;

4) стойкость в различных средах: химическая, водо-и атмосферостойкость, низкая проницаемость для жидкостей и газов;

5) свойства можно регулировать в широком диапазоне путем варьирования компонентов, добавления модификаторов, катализаторов и изменения условий отверждения.

Недостатки:

1) хрупкость, низкие вязкость разрушения и ударная прочность (усугубляются для высокотеплостойких матриц);

2) невозможность вторичной переработки;

3) длительное время отверждения из-за необходимости проведения экзотермической химической реакции в мягком режиме (без значительных перегревов);

4) ограниченное время жизни препрега;

5) значительная химическая усадка в большинстве случаев.

В последние годы началось широкое применение термопластичных высокотеплостойких полимеров в качестве матриц ПКМ. Прежде всего это объясняется следующими причинами. Для термопластов (полиэфирсульфон, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирэфиркетон и т.д.) характерно сочетание высокой прочности и теплостойкости с высокой ударной прочностью и трещиностойкостью.

Отметим достоинства термопластов:

1) возможность вторичной переработки;

2) облегчение ремонта изделий;

3) более эффективные интенсивные методы переработки, формование деталей менее энергоемко, возможно формование более крупных, сложной конфигурации деталей, более высокая производительность;

4) практически бесконечная жизнеспособность препрегов − время между его изготовлением и переработкой в изделие;

5) пониженные горючесть, дымовыделение при горении, токсичность продуктов горения, высокая стойкость к излучению.

С другой стороны, замена термореактивных связующих на термопластичные требует решения ряда сложных технологических задач, ведь из-за большой вязкости расплавов полимеров приходится работать при высоких температурах и давлениях. Для преодоления этих трудностей предложены, например, волоконная и пленочная технологии получения ПКМ и изделий из них. Из связующего сначала получают либо волокна, которые затем смешивают с волокнами армирующего материала, либо пленки, которые выкладывают или наматывают поочередно с лентой армирующего материала. После этого полученный пакет или изделие прессуют при высокой температуре − связующее расплавляется и проникает между волокнами, превращаясь в полимерную матрицу.

Сейчас, чтобы устранить недостатки каждого из классов связующих и добиться оптимальных свойств, начали применять различные смеси полимеров. Например, введение каучуков в эпоксидные и другие термореактивные связующие повышает вязкость разрушения и ударную прочность композита, хотя и несколько снижает прочность и модуль упругости связующего. К тем же эффектам приводит модификация термопластов термореактивными связующими при сохранении высокой прочности и жесткости. Олигомерные соединения снижают вязкость, улучшают технологичность термопластов. Предварительная обработка армирующего материала небольшим количеством низковязких термореактивных смол позволяет склеить волокна внутри нитей и в других местах, куда не могут проникнуть высоковязкие термопласты.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определения термореактивным и термопластичным связующим для полимерных композиционных материалов.

2. Рассказать о преимуществах и недостатках термореактивных и термопластичных связующих.

3. С какой целью применяют смеси термореактивных и термопластичных связующих при изготовлении ПКМ?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Берлин, Ал. Ал. Современные полимерные композиционные материалы / Ал. Ал. Берлин // Соросовский образовательный журнал. – 1995. – № 1. – С. 57-65.

2. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / М. Л. Кербер, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин, Ю. А. Горбаткина, В. К. Крыжановский, А. М. Куперман, И. Д. Симонов-Емельянов, В. И. Халиулин, В. А. Бунаков. – СПб.: Профессия, 2008. – 560 с.

3. Алентьев, А. Ю. Связующие для полимерных композиционных материалов: учеб. пособие для студентов специальности «Композиционные наноматериалы» / А. Ю. Алентьев, М. Ю. Яблокова. – М: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2010. – 69 с.

Практическое занятие № 8