Современная техника предъявляет самые разнообразные требования к полимерным материалам. Допустим, нужно повысить прочность и жесткость полимера, снизить его стоимость, уменьшить плотность. С каждой из этих задач успешно справляются добавлением в полимер различных наполнителей. Каких именно? Это зависит от конкретных запросов потребителей материала. Например, прочность повышают введением в полимер упругих высокопрочных волокон, а снижения стоимости добиваются, наполняя полимер такими дешевыми продуктами, как речной песок, опилки, цементная пыль.

Наполнители необязательно должны быть твердыми. Можно наполнить полимеры газом, тогда мы получим газонаполненные полимеры — пенопласты. Так решается задача резкого снижения плотности полимерных материалов. Много сложнее наполнить полимеры жидкостью, чтобы она была равномерно распределена в виде дисперсных капель, но в литературе можно найти описание методов получения и таких материалов.

Материалы, содержащие две или более фазы, именуются композиционными, или просто композитами. Напомним, что латинское compositio означает составление, сочинение. Если одна из составляющих фаз— полимер, а другие — твердые, жидкие или газообразные вещества, то мы имеем дело с полимерными композиционными материалами (ПКМ).

Не следует думать, что ПКМ — изобретение последних лет. Первые армированные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником,—использовали для строительных целей-в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до а. э. из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения полимерных композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона.

Матрица — непрерывная полимерная фаза, в объеме которой распределены частицы наполнителя, имеющие четко выраженную границу раздела с полимером.

Что дает армирование полимеров

Один из основоположников современной полимерной науки академик В. А. Каргин считал, что анизотропия свойств— необходимая предпосылка для получения высокопрочных полимерных материалов. Обратимся в частности, к биологическим объектам: все ткани, предназначенные для механической работы (кожа, кости и т. д.), представляют собой анизотропные «армированные» системы. Другим примером естественных армированных структур является древесина, высокая прочность которой обусловлена ее анизотропной волокнистой природой. Таким образом, армирование материалов — это общий принцип создания структур с высокими механическими свойствами.

Итак, полимерные композиты состоят из двух основных частей: полимера (связующего) и наполнителя (армирующего компонента). В качестве последнего используют обычно тонкие высокопрочные волокна. В последние годы в периодической печати все чаще появляются сообщения о применении ПКМ в различных конструкционных узлах самолетов, ракет, автомобилей, морских и речных судов и других ответственных устройств.

Посмотрим, чем же хороши такие композиты. Прежде всего по механическим свойствам и по стойкости к воздействию тепла они, как правило, заметно превосходят сам полимер. Выигрыш в механических показателях связан - с высокой прочностью наполнителя, например стеклянных, борных или графитовых волокон. Полимер » таких системах служит как для придания им упругих свойств, так и для распределения напряжения между отдельными волокнами. При этом прочность материалов во многом определяется двумя факторами: 1) регулярностью расположения волокон в объеме полимера и 2) взаимодействием между волокном и полимером (адгезией).

Укажем на особую важность регулярности расположения волокон в полимерной матрице. Многочисленные исследования показали, что прочность ПКМ максимальна, если волокнистый наполнитель распределен в полимере не только регулярно, но и в строгом соответствии с тем, как распределены напряжения. Для достижения этого при прибегать к различного рода приемам. Упомянем об одном из них. Суть его состоит в том, что волокна (различной природы) наклеивают в определенном порядке на водорастворимую пленку, например из поливинилового спирта, которую затем совмещают со строительной смесью. После этого пленка, как можно догадаться, растворяется. Теперь о причинах повышенной устойчивости ПКМ воздействию тепла. Их несколько: во-первых, это повышенная термостойкость армирующих добавок (например, стекловолокна — до 840°, борных волокон — до 2300° С); во-вторых, высокая теплопроводность наполнителя, которая способствует более равномерному распределению поступающего тепла; в-третьих, взаимодействие участков макромолекул полимера, образующихся при его термораспаде, с поверхностью частиц наполнителя, в результате чего происходит химическая сшивка материала.

Кроме прочности и теплостойкости для практики важна малая плотность ПКМ: в пределах 1,2 — 1,9 кг/м3, что в 1,5—3 раза ниже, чем плотность самых легких авиационных сплавов. Достоинства композитов этим не исчерпываются. Отметим здесь -такие качества, как «нечувствительность» к надрезу, небольшая скорость распространения трещин и высокая усталостная прочность, т. е. прочность при действии многократно повторяющейся нагрузки. По отношению усталостной прочности к массе композиционные материалы превосходят титановые сплавы, отличающиеся высоким значением этого показателя. К достоинствам композитов следует отнести и возможность изготовления из них изделий любой сложной формы. Хорошо проявили они себя и при получении крупногабаритных конструкций из минимального числа отдельных деталей методами формования. Формованные изделия отличаются меньшей стоимостью и лучшим качеством, при этом снижаются и затраты труда. Изделия из ПКМ, защищенные соответствующим покрытием, обладают большей коррозионной устойчивостью, чем металлы. І Еще одно специфическое достоинство полимерных композитов— радиопрозрачность, т. е. способность почти не отражать сигналы радарных установок. Поэтому летательные аппараты из ПКМ будут менее уязвимыми для систем обнаружения. Причина радиопрозрачности ПКМ — хорошие диэлектрические свойства полимерной матрицы и, как правило, армирующих ее волоконец. Однако в качестве армирующего наполнителя могут быть использованы материалы с самыми разнообразными электрофизическими свойствами. Так, на основе полимера, наполненного сажей или измельченным графитом, в начале 1950-х годов получены были электропроводящие 1IKM, которые нашли применение для самых разнообразных целей. Здесь и изготовление нагревательных элементов для обогрева помещений, обогрева открытых установок на химических заводах, и создание устройств для электроподогрева железобетонных конструкций, инкубаторов, теплиц. Эти материалы незаменимы при изготовлении неэлектризующихся транспортерных лент для угольных шахт и цехов взрывоопасных производств.

Коль скоро речь зашла о конкретных свойствах армированных ПКМ, позволяющих использовать их на практике, приведем еще два интересных примера. Первый из них относится к способности некоторых композитов кратковременно (несколько секунд) эксплуатироваться при сверхвысоких температурах (2000 — 4000° С) в условиях непрерывной бомбардировки их мелкими твердыми частицами, действующими как абразив. В таких условиях, например, работают материалы, подверженные воздействию горячих газов и твердых частиц горящего топлива ракетного двигателя.