Благодаря каким качествам композитов они способны устоять в этих воистину адских условиях? Вот важнейшие из них: 1) низкая теплопроводность; 2) большая теплоемкость; 3) способность выдерживать значительные сдвиговые нагрузки; 4) способность при нагревании выделять газообразные продукты; 5), способность образовывать твердую обугленную поверхность при частичном термораспаде материала. Некоторые из этих свойств выгодно отличают композиты от металлов (табл. 1).

Второй пример относится к анизотропным свойствам армированных пластиков, особенно ценным при использовании их для изготовления корпусов ракетных двигателей. Как правило, эти корпуса имеют цилиндрическую форму, и при обычных давлениях нагрузки, действующие в поперечном направлении, в 2 раза выше продольных нагрузок. Если обеспечить необходимую прочность корпуса в поперечном направлении, то прочность цилиндра, изготовленного из изотропного металла, в продольном направлении окажется в 2 раза больше необходимой прочности. Здесь-то и пригодились свойства композитов с различной ориентацией армирующего материала.

Таблица 1. Теплопроводность и термическое напряжение различных материалов

1 Термическое напряжение — произведение модуля упругости на коэффициент линейного расширения.

Армированные пластики позволили устранить нецелесообразное увеличение массы изделия и обеспечить требуемую прочность и в поперечном и в продольном направлениях.

Итак, ПКМ прочны, легки, термостойки, обладают многими другими достоинствами, но может возникнуть вопрос, не слишком ли они дороги. По заключению специалистов, стоимость композитов находится примерно на одном уровне со стоимостью высококачественных сплавов, используемых в авиации. При выборе материалов логично руководствоваться и следующими соображениями. Если при изготовлении металлических деталей отходы обычно составляют 75—85% исходной массы заготовки, то при изготовлении этой же детали из полимерных материалов потери на отходы составляют не более 5%. Сравнение явно в пользу новых материалов. Следует учесть еще одно важное обстоятельство: стоимость полимерных композиционных материалов за последние 10—15 лет снизилась почти вдвое и имеет тенденцию к дальнейшему уменьшению.

Это видно, например, из данных по промышленности США, иллюстрирующих изменение цен за период с 1965 по 1985 г. на термостойкий пластик (из наиболее дорогих), работоспособный при 200° С в течение 1000 ч.

Как получают полимерные композиционные материалы

Способы получения полимерных композитов определяются типом наполнителя (волокнистый, порошкообразный, так и агрегатным состоянием полимера (жидкий или твердый). Имеются свои различия и в методах приготовления ПКМ с наполнителем одного типа. Так, для каждого материала из армированных волокнами пластиков в соответствии с известной классификацией характерен свой способ получения.

Основные группы полимерных композитов

1) слоистые пластики, или текстолиты, в которых

I Наполнитель применяется в виде слоев волокнистой

2) литьевые и прессовочные композиции, наполненные рублеными волокнами, ровницей, нитями;

3) ориентированные армированные пластики, образующиеся при укладывании стеклянных или синтетических волокон, прядей, нитей, жгутов и пр. параллельно друг другу при одновременном нанесении на них связующего;

4) стеклопластики на основе предварительно формованных стеклянных волокон или холстов (матов), которые получают методом прессования при низком давлении.

Таким образом, в зависимости от способа введения волокна в полимерную матрицу готовят материалы, или обладающие ярко выраженной анизотропией свойств, или практически изотропные. Что касается дисперсных наполнителей, то большинство способов получения ПКМ на их основе включает стадию изготовления так называемых пресс-порошков либо мокрым методом, например пропиткой смолами, либо сухим методом, например вальцеванием. В случае использования жидких связующих методы получения композитов различны в зависимости от способа формования. При мокром способе формования в форму укладывают волокнистый или дисперсный наполнитель, который пропитывают жидким олигомерным. Олигомеры по размерам молекул являются промежуточными между мономерами и полимерами или мономерным связующим или раствором полимера. Так, если исходное состояние связующего — твердое (высокомолекулярный твердый полимер), то предварительно готовят раствор связующего. После пропитки и удаления растворителя проводят процесс отверждения, обычно заключающийся в прессовании под небольшим давлением при повышенных температурах. При сухом способе формования в форму помещают предварительно пропитанный связующим и высушенный наполнитель. Последнюю стадию — отверждение — осуществляют, как правило, таким же образом, как и при мокром способе формования.

Одним из неприятных явлений, наблюдающихся при изготовлении композитов, являются так называемые усадочные процессы. Дело в том, что в качестве связующего часто используют олигомеры, которые при повышении температуры или при добавлении отверждающего агента превращаются (полимеризуются или поликонденсируются) в полимеры сетчатого строения. Процессы полимеризации и поликонденсации всегда сопровождаются уменьшением объема. Такое уплотнение при переходе от мономера или олигомера к полимеру связано с сокращением межмолекулярных расстояний от 3—4 до ~1,54 А (длина валентных связей). Например, при полимеризации непредельных соединений на каждый моль олефина объем уменьшается примерно на 20 см3. Изменение объема связующего в процессе переработки может привести к искажению формы изделия и возникновению внутренних напряжений, которые губительно сказываются на прочностных характеристиках изделия. Лишь при использовании связующих с минимальной усадкой могут быть получены высококачественные композиционные материалы.

Другой серьезный недостаток использования жидких полимеризующихся соединений состоит в том, что вязкость связующего в процессе полимеризации резко возрастает. Поэтому для обеспечения равномерного распределения наполнителя в массе связующего приходится ступенчато повышать давление формования.

Имеются свои особенности в процессе изготовления волокнистых ПКМ типа намоточных изделий. Например, стекловолокно пропускают через ванну с раствором олигомера или полимера такой вязкости, которая обеспечивает необходимое количество связующего, остающегося на волокне. Затем растворитель удаляют и проводят отверждение обычными методами.