Технология получения и применение изделий из композиционных материалов 13.1 Свойства композиционных материалов

Композиционными называются материалы, включающие в свой состав элементы, разнородные по составу и свойствам. Конструкционные композиционные материалы (КМ) – это новый класс материалов, свойства которых могут закладываться и формироваться в процессе конструирования изделий. Как правило, КМ содержат высокопрочную армированную основу и матрицу, скрепляющую армирующие элементы. Традиционные конструкционные материалы – металлические сплавы, имеют изотропную структуру. Процесс получения материалов и изделий из них разделен во времени и осуществляется на различных предприятиях. Изделия изготавливаются из заранее полученного металла в виде готового сортамента, отливок или поковок. Принципиальным отличием КМ от традиционных материалов является то, что материал и изделие формируется одновременно. Этот процесс совмещен в пространстве и времени. Указанные особенности требуют специальных приемов и нового подхода к проектированию и изготовлению изделий из КМ. Задача усложняется тем, что в силу особенностей структуры, КМ имеет, как правило, ярко выраженные анизатропные свойства. По составу, конструктивным особенностям и методам изготовления класс КМ весьма разнообразен. Так имеются КМ с полимерной матрицей и армирующей основой в виде высокопрочных нитей. Разработаны КМ с металлической матрицей, например, в виде алюминиевого сплава и армирующей основой в виде стальной проволоки либо в виде высокопрочных кристаллов. По методам изготовления КМ могут подразделяться на получаемые намоткой, выкладкой, прессованием и т.д. большинство из КМ находятся на стадии лабораторной обработки. Промышленно освоены изделия из полимерных КМ: стеклопластиков, органопластиков и углепластиков.

Впервые промышленное изготовление изделий из полимерных КМ (стеклопластиков) было начато в США фирмой Дюпон по заказу авиационной промышленности в 1941 году. В СССР в шестидесятые годы в связи с развитием ракетной технологии также начинается бурное освоение полимерных КМ, в то время представленное стеклопластиками. Из них изготавливались в первую очередь корпуса верхних ступеней ракет, взамен алюминиевых сплавов и корпуса ракетных двигателей твердого топлива. Ряд ведущих организаций СССР занимался вопросами изготовления изделий из КМ, в частности, МВТУ, завод в г. Дзержинском Московской области, фирма С.П.Королева. В семидесятые годы стеклопластики начинают вытесняться более прогрессивными КМ – органопластиками. В качестве армирующей основы они содержат высокопрочную нить СВМ или ткань ТСВМ/Дж. В США аналогом этой нити является нить Кевлар –49, выпускаемая фирмой Дюпон. Немного позже появляется еще один класс КМ – углепластики. Основным армирующим элементом этого материала является угольный жгут, ткань или лента. Все указанные КМ обладают высокой прочностью при низкой плотности. Однако их плотность несколько различается: 1,3 г/см³ у органопластиков, 1,5 г/см³ у углепластиков, 2 г/см³ у стеклопластиков. Прочность КМ в силу инизотропии свойств сильно отличается вдоль направления армирования и поперек. Поэтому при оценках прочности можно говорить об усредненных характеристиках в конструкции, либо приводить точные данные по прочности однонаправленных образцов в различных направлениях. Усредненная прочность в конструкции органопластиков и углепластиков соответствует прочности легированных сталей, например, таких как 30 ХГСА (1000 МПа). Одновременно следует отметить, что освоенные промышленностью КМ имеют различную жесткость. Жесткость органопластика приблизительно равна жесткости деформируемых алюминиевых сплавов таких, как Ак 6, Амг 6, жесткость стеклопластиков приблизительно в два раза ниже, углепластиков – в два раза выше. Различной является механическая обрабатываемость КМ. Стеклопластики и углепластики хорошо обрабатываются резанием, обработка органопластика затруднена. Для получения качественной поверхности целесообразным является применение алмазного инструмента и высоких скоростей резания. Учитывая указанные особенности физико-механических свойств материалов и особенности их обработки, в конструкции могут находить применение несколько КМ одновременно. Так в качестве основного материала часто используется органопластик, в местах наибольших деформаций применяется органо-углепластик или углепластик, опорные поверхности, шпангауты и некоторые другие фрагменты изделий из КМ могут выполняться из стеклопластиков. При выборе материалов изделия следует также учитывать их стоимость. Органопластик по стоимости близок к алюминиевым сплавам, углепластик – дороже, стеклопластик по стоимости приблизительно соответствует углеродистым сталям.