Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов для армирования композиционных материалов

Материал	Температура расплавления, °С	Плотность,к г/м3	Модуль упругости, МПа-10"3	Предел прочности, МПа-10"3	Удельная
прочность, км	Жесткость, км∙10-3
Волокно:
борное			380–420	2,5–3,5	95–133	14,4–15,9
углеродное			196–296	1,96–2,96	117–176	11,7–17,4
оксид				2,1–2,6	52–65	12,6
алюминия
Проволока:
бериллиевая				1,0-1,3	55—65	15,76
вольфрамовая				4,2		2,07
стальная				3,6—4,0	45—51	2,56
Нитевидные кристаллы:
нитрид						11,5
алюминия
карбид
кремния
нитрид кремния						15,6

 

Углеродные волокна. Углеродные во­локна получают из полиакрилнитрильного (ПАН) гидроцеллюлозного волокна или из волокон на основе нефтяных смол или пеков. Технологиче­ский процесс получения углеродных волокон ос­нован на термическом разложении органических исходных волокон в контролируемых атмосферах.

В настоящее время освоено производство нескольких типов углеродных волокон, отличающихся уровнем механических свойств:

– высокопрочные волокна σ_в = 2500-3200 МПа; Е = (180–220)∙10³ МПа;

– высокомодульные волокна σ_в = 1400–2200 МПа; Е = (350–550)∙10³ МПа.

К недостаткам углеродных волокон следует отнести их склонность к окислению на воздухе, химическую активность при взаимодействии с металлическими матрицами, слабую адгезию с полимерными матрицами. Улучшения совместимости волокон с металлическими матрицами и защищенности их от окисления добиваются нанесением на углеродные волокна металлических и керамических покрытий.

Борные волокна. Борные волокна получают осаждением бора из газовой фазы а результате оса­ждения образуется сердцевина из вольфрама диа­метром 15–17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристалличе­ского бора. Диаметр полученного таким образом волокна бора – в пределах от 70 до 200 мкм.

Прочность борных волокон определяется поверхностными и объемными дефектами, а также дефектами на поверхности раздела сердцевина—оболочка. Чаще поверхностные дефекты возникают в борных волокнах с грубой поверхностью, содержащей наросты, неровности и трещины. Поверхностные дефекты устраняют травлением, что ведет к увеличению прочности борного волокна.

Волокна бора обладают ценным сочетанием свойств: низкой плотно­стью (2600 кг/м³), достаточно высокой прочностью (σ_в = 3500 МПа при мо­дуле Юнга 420 000 МПа) и температуре плавления 2300 °С. Борное волокно интенсивно окисляется на воздухе при 400 °С, а при температурах выше 500 °С интенсивно взаимодейст­вует с алюминиевой матрицей. Повышают жаростойкость и пре­дотвращают взаимодействие бор­ного волокна с алюминиевой матрицей, нанося на их поверх­ность покрытия из карбида крем­ния толщиной 3–5 мкм. Волокна бора, покрытые карбидом крем­ния, получили название борсик. При повышенных температурах на воздухе прочность волокон борсика и карбида кремния значительно выше прочности воло­кон бора.

Волокна бора применяют в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц.

Стеклянные волокна.Непрерывные волокна выпускаются с треугольной, квадратной, прямоугольной, шестиугольной и круглой формой поперечного сечения, что позволяет получить более плотную упаковку их в композиции и, таким образом, обеспечить повышение ее прочности и жесткости.

Основой стеклянных волокон является диоксид кремния SiО₂. В за­висимости от природы стеклообразующего вещества стекла делятся на силикатные (Si0₂), алюмосиликатные (А1₂О₃–SiО₂), алюмоборосиликатные (А1₂О₃ - В₂О₃ - SiО₂) и др.

Стекла щелочные, содержащие добавки К₂О и Na₂О, имеют пониженную температуру плавления, прочность и химическую стойкость ввиду разрыва прочной связи Si–О–Si.

Широко используемое для армирования пластиков Е-стекло содержит 54,4% SiО₂,14,4% А1₂О₃, 17,5% СаО, 4,5% MgO, 8% В₂О₃, 0,5% (Na₂О + К₂О), 0,4% Fe₂О₃ и 0,3% ThO₂. Стекло размягчается при 846 °С, его плотность 2540 кг/м³, модуль Юнга – 73,5∙10³ МПа.

Высокопрочное S-стекло состава 65% SiО₂, 25% А1₂О₃, 10% MgO при комнатной температуре имеет прочность 4,5∙10³ МПа, а модуль упругости – 87∙10³МПа.

Стекловолокна применяют для армирования композитов в виде жгутов, нитей, лент, тканей различного плетения, матов.