Читать книгу Композитные материалы в конструкции грузовых вагонов - - Страница 5

Рассмотрим способы получения изделий из самого распространённого конструкционного вида композитных материалов, а именно композита с неметаллической матрицей, в качестве армирующего материала которого используются стеклянные и углеродные волокна – стеклопластик и углепластик соответственно.

Стеклопластики – это полимерный композитный материал, армированный стекловолокном, которое образуется из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы часто используются термореактивные синтетические смолы, такие как полиэфир, фенол, эпоксидная смола и другие, а также термопластичные полимеры – полиамиды, полиэтилен, полистирол и тому подобное.

Стеклонить – это волокно, сформированное из стекла. В этой форме стекло проявляет несвойственные для себя характеристики – оно не трескается и не бьется, зато с легкостью принимает изогнутую форму. Для изготовления стекловолокна используется кварцевый песок, при вторичной переработке в ход идет стеклобой – это может быть стеклотара, битое стекло или забракованные стеклянные изделия, полученные в производственных условиях. Отходы стекольного производства на 100% поддаются любой переработке. Это обуславливает использование вторсырья в производстве – позволяет существенно снизить себестоимость готового материала и поддержать экологическую защиту окружающей среды.

Технология сводится к выдуванию из сырья тончайших нитей. Для этого сырьевые заготовки расплавляют при температуре 1400 градусов. Тягучая масса поступает на формующую установку и пропускается через центрифугу. В результате получается стекловата с перемешанными между собой волокнами. На финишной стадии полученный полуфабрикат пропускается через сито с микроотверстиями и выдувается под высоким воздушным давлением. На выходе получаются ровные длинные нити, которые в дальнейшем служат сырьем для создания более сложных продуктов.

Получившиеся волокна могут быть двух видов:

1) Длинные нити – растянуты на тысячи километров, их получают непрерывным методом. Через отверстия вытекают тонкие струи, охлаждаются и наматываются на барабан. Внешне такое волокно напоминает шелковую нить. В процессе вытягивания нити проходят через замасливающую установку, пропитываются клеящими веществами и пластификаторами. Такая обработка позволяет получить гибкие волокна.

2) Короткие нити – имеют длину 35—50 см, они похожи на шерсть для валяния. В основе производства лежит штапельная техника – стеклянную расплавленную массу выдувают паром или горячим воздухом.

В зависимости от толщины нитей выделяют:

– Толстое волокно – более 25 мкм;

– Утолщённое – 12—25 мкм;

– Тонкое – 4—12 мкм;

– Сверхтонкое – 1—3 мкм

Изготовление стекловолокна подчиняется действующим ГОСТам:

– для тканей конструкционного назначения – ГОСТ 19170—2001;

– для изоляционного материала – ГОСТ 19907—83.

Поверхностная плотность может быть в диапазоне 200—1800 г/кв. м, что зависит от количества нитей на 1 см² ткани. Количество основных и уточных нитей бывает разным, как правило, от 6 до 40. Максимальная разрывная нагрузка стеклоткани разная для каждого вида, а минимальная около 1,8 Н (кгс). В соответствии с техническими характеристиками различаются и марки стеклотканей.

– Конструкционная стеклоткань. Применяется для армирования, изготовления стеклопластика, деталей автомобилей, лодок и других объектов;

– Электроизоляционная. Этот вид используют для изоляции электрических проводов, изготовления монтажных плат и так далее;

– Радиотехническая. В ее состав добавляют металлические элементы для улучшения способности отражать радиоволны и свет;

– Ровинговая стеклоткань. Для ее изготовления используют ровинги – не скрученные пучки стекловолокна, сплетенные в единое полотно. Его поставляют в больших рулонах и используют в строительстве, металлургии, автомобилестроении и других областях;

– Фильтрационная. Этот вид применяют в тех отраслях, где требуется разделить определенное вещество на отдельные фракции;

– Строительная. С ее помощью укрепляют кровлю и стены, выполняют отделочные работы.

Стеклопластики, как правило, являются листовыми пластиками. Их изготавливают методом горячего прессования полимерного связующего, смешанного со стекловолокном или стеклотканью. При этом стекловолокно (стеклоткань) является армирующим элементом. Он дает получаемому продукту повышенные физико-механические свойства.

В промышленности для выпуска изделий из этого пластика применяют несколько разнообразных полимерных смол. Больше всего среди них популярны смолы на основе полиэфиров, винилэфирные, а также эпоксидные пластики.

Изделия из стеклопластика обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами и прозрачностью для радиоволн.

Стеклопластик – недорогой полимерный композит. Его использование оправдано в серийном и массовом производстве, в судостроении, в радиоэлектронике, в строительстве, при изготовлении оконных рам для стеклопакетов, в автомобильной и железнодорожной технике.

Впервые стекловолокно было получено случайно – на стекольном производстве случилась авария, под давлением воздуха расплавленная масса раздулась и разделилась на тонкие гибкие нити. Это стало огромной неожиданностью для инженеров, так как обычно после застывания стекло твердеет. С того момента прошло более 150 лет. За это время технология была многократно усовершенствована, но ее принцип остался неизменным.

Углепластики – это композитные материалы, которые состоят из полимерной матрицы и армирующих элементов в виде углеродных волокон. Углеродные волокна получают из синтетических и натуральных волокон на основе сополимеров акрилонитрила, целлюлозы и других.

Для изготовления композитов на основе углеродного волокна используются такие же матрицы, что и для стеклопластиков – термореактивные и термопластичные полимеры.

Основными преимуществами углепластика перед композитами на основе стекловолокна являются его низкая плотность и более высокий модуль упругости. Углепластик – очень легкий и прочный материал. Углеродные волокна и, соответственно, углепластики практически не имеют линейного расширения.

Углепластики используются в авиации, космической промышленности, машиностроении, медицине, спортивном оборудовании. Из углепластиков производят высокотемпературные узлы для ракет и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для авиационной техники и многоразовых космических аппаратов, электротермическое оборудование.

При получении углепластика углеродные волокна пропитываются фенолоформальдегидной смолой, затем подвергаются воздействию высоких температур (+2000° C), при этом органические вещества подвергаются пиролизу и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз.

Другой способ получить углеродный материал – прокалить обычный графит при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза.

Прессование

Процесс прессования полимерных композитных материалов заключается в пластической деформации материала при одновременном воздействии на него тепла и давления с последующей фиксацией формы изделия. Прессование композитов проводится в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует конфигурации будущего изделия.

Пресс-формы устанавливаются на прессах, назначение которых – создание необходимого давления прессования. Помещенный в пресс-форму холодный или предварительно подогретый материал разогревается до температуры прессования и, подвергаясь под давлением прессования деформации одномерного течения, заполняет полость формы и одновременно уплотняется.

Фиксация формы изделия происходит в результате отверждения реактопластов или охлаждения термопластов, либо охлаждения под давлением до температуры ниже температуры стеклования полимеров.

Литьё под давлением

В процессе литья под давлением формуемый полимерный композитный материал поступает в инжекционный (пластикационный) цилиндр литьевой машины, где нагревается до температуры 300—350 ⁰С в случае термопластичной матрицы и до температуры 80—110 ⁰С – в случае термореактивной матрицы.

Пластифицированный материал при поступательном движении шнека или поршня впрыскивается через мундштук (форсунку) с соплом в литниковый и разводящий каналы, а оттуда в гнезда пресс-формы, где ПКМ с термопластичной матрицей охлаждается до температуры 20—110 ⁰С, а с термореактивной – нагревается до температуры 160—200 ⁰С. В пресс-форме материал выдерживается под давлением для уплотнения, затем пресс-форма размыкается и сформованное изделие выталкивается из нее.