Композиционные материалы (КМ) (от лат. compositio — составление) — многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных и других подобных частиц. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.
Целью создания композиционного материала является объединение схожих или различных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов. Большинство свойств полученных КМ оказываются более высокими, нежели свойства исходных компонентов.
С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной области применения. Композиционные материалы, оказавшиеся экономичными и удобными в проектировании, сегодня используются везде — от производства игрушек и теннисных ракеток до применения в космических аппаратах (теплоизоляция, микросхемы и др.).
Полимерные композиционные материалы первого поколения — это изотропные материалы, наполненные дисперсными частицами, имеющие более высокий, чем исходный полимер, уровень свойств. Совершенствование таких полимерных композиционных материалов (ПКМ) связано с использованием наноразмерных наполнителей, благодаря которым композиции приобретают ценный комплекс эксплуатационных свойств даже при малом объеме наполнителя.
Материалы второго поколения — анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокопрочных высокомодульных волокон и термореактивных или термопластичных матриц.
Интеллектуализация таких материалов — переход к ПКМ третьего поколения. Модификация структуры материалов специальными компонентами, разработанными на основе достижений микро- и нанотехнологий, превращает ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные ПКМ. Мировой выпуск разнообразных ПКМ в 2018 г. составил 7,5 млн т. Уникальные физико-химические, конструкционные и технологические свойства таких материалов позволяют использовать их в разнообразных областях жизнедеятельности.
Для получения полимерных изделий, наполненных непрерывными волокнами, используют как непосредственно волокна в виде пучков, ровницы или пряжи, так и различные текстильные материалы, а также маты или путаницу из волокна. Волоконный мат представляет собой армирующие волокна, нарубленные мелкими кусками длиной от 12 до 50 мм и склеенные друг с другом временным связующим — эмульсией.
Из-за того что волокна короткие и ориентированы хаотично, мат не отличается прочностью. Однако он легко пропитывается смолой, так как является мягким, толстым и рыхлым, похожим на губку при пропитывании. Мат хорошо использовать для клеевого соединения слоев из других видов материалов и заполнителей. Поэтому самый популярный способ формования — укладка чередующихся между собой слоев ровинга и мата.
Ровинг — жгут из нитей непрерывного волокна, который различается плотностью, т. е. количеством нитей в жгуте. Тканый ровинг — тяжелая грубая ткань, состоящая из прядей волокна. Благодаря тому что волокна имеют большую длину и ориентированы в перпендикулярных направлениях, тканый ровинг обеспечивает очень прочное армирование. При равном весе отформованный из одного только тканого ровинга пластик обладает в два раза большей прочностью, чем стандартный пластик из тканого ровинга и мата.
Однако без мягкого, рыхлого материала, каким является мат, сложно добиться того, чтобы сравнительно твердые и плоские слои тканого ровинга надежно склеились друг с другом. Армирующая ткань представляет собой очень прочный материал. В отличие от тканого ровинга ткань имеет очень мелкую текстуру и часто используется при формовании как наружный слой для укрытия грубой поверхности тканого ровинга и мата. К примеру, один-единственный слой ткани изнутри корпуса позволяет получить красивую гладкую поверхность. Как следствие, тонкую армирующую ткань часто именуют отделочной.
В качестве полимерного связующего в ПКМ практически всегда используют различные низковязкие реактопласты невысокой молекулярной массы (эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.), которые после формования изделия отверждают химическим путем. Такое ограничение в выборе связующего обусловлено невозможностью проведения процесса смешения без разрушения волокна.
Связующее должно за счет капиллярных сил и под действием силы тяжести или небольшого давления проникнуть между волокнами и достаточно равномерно распределиться там (должна произойти пропитка наполнителя связующим). Это возможно только при сравнительно невысокой вязкости связующего. В последнее время все чаще в качестве связующего стали применять и термопласты (полиамид, полипропилен и др.).
В этом случае волокна наполнителя укладывают или переплетают с волокнами термопластичного связующего так, чтобы волокна связующего и наполнителя были достаточно равномерно распределены в объеме заготовки. Затем из такой заготовки формуют изделие под давлением при температуре выше температуры плавления связующего. Термопластичные волокна плавятся, растекаются за счет приложенного давления и связывают волокна. После оформления изделия его фиксируют охлаждением.
Процессы получения изделий из композиций с бесконечно длинными волокнами очень специфичны и зависят не только от вида связующего и наполнителя, но и в значительной степени от конфигурации формуемого изделия. В зависимости от метода изготовления изделий ориентация волокон в нем может быть одноосной, двухосной, слоистой и многоосной.
Современное производство элементов конструкций из ПКМ в значительной мере ориентируется на препреговую технологиюизготовления изделий.
Препреги — это композиционные материалы-полуфабрикаты: ткани и волокна, предварительно пропитанные предкатализированной смолой при высокой температуре и давлении. Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. Ее полное отверждение происходит при формовании. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала, обеспечить заданные электротехнические, механические и другие параметры.
Препреги с ориентированным расположением волокон изготавливают на специальных установках вертикального (шахтного) или горизонтального типа. При изготовлении препрега на основе тканей, сеток и т. п. (рис. 1) материал поступает из разматывающего устройства, разглаживается, пропускается через ванны со смолой, тщательно отжимается при помощи системы специальных прецизионных валов, высушивается в специальных сушилках, а затем сматывается в рулон или разрезается на листы заданного размера.
Сушильно-пропиточные линии представляют собой крупногабаритные и технически сложные инженерные системы, обеспечиваемые современными средствами автоматического управления, безопасности.
Рис. 1. Схема пропиточной установки для получения препрега: 1 — вакуумный насос; 2 — вакуумная камера; 3 — нагреватель; 4 — компенсатор уровня связующего; 5 — отжимное устройство; 6 — сушильная печь; 7 — бобина с разделительной пленкой; 8 — рулон с готовым препрегом; 9 — калибрующее устройство; 10 — нагреватель; 11 — ресивер; 12 — фильтр; 13 — вакуумный затвор; 14 — ванна со связующим; 15 — нагреватель; 16 — шпулярник с нитяным наполнителем; 17 — распределительный барабан
Готовый препрег обычно представляет собой рулоны или пакеты ленточного калиброванного материала с разделительной пленкой между слоями. В таком виде препреги могут храниться до нескольких недель, однако для увеличения срока годности их хранят при пониженных температурах. Полученные препреги в дальнейшем подвергаются плоскому или фасонному формованию, а также реализуются другим предприятиям в виде товарной продукции.
Препрег, полученный на специальных пропиточных установках, обладает высоким качеством пропитки наполнителя связующим, минимальными механическими повреждениями наполнителя, равномерным «наносом» связующего в наполнитель при оптимальном процентном содержании связующего.
Отсутствие сколько-нибудь заметной липкости при нормальной температуре позволяет автоматизировать процесс нанесения препрега методами намотки, выкладки, делать технологически «чистыми» процессы ручной выкладки сложных изделий, проводить автоматизированный раскрой препрега на станках с программным управлением, например, на лазерных или ультразвуковых установках раскроя материала.
Таким образом, технологический процесс получения изделий из композиционных полимерных материалов делится на два этапа: получение заготовки заданной конфигурации и ее формование для достижения высокой прочности и жесткости. Полимерные композиционные материалы, состоящие из смолы, волокон и других наполнителей, после отверждения являются твердыми телами. Характеристики готового изделия (такие как габаритные размеры, форма, величина серии) обусловливают выбор состава композиции, способа ее получения и формования.
Наибольшее практическое применение находят следующие способы производства изделий из армированных пластиков:
- контактное формование с укладкой пропитанного смолой волокнистого холста на форму;
- напыление волокнисто-полимерной композиции на поверхность формы;
- различные способы формования в закрытой форме;
- намотка пропитанного смолой волокна на форму;
- пултрузия, или формование профильных изделий путем протяжки волокна через ванну с полимером и калибрующую фильеру.
В зависимости от технологии формования значения свойств полимерных композитов могут отличаться в несколько раз. Выбор технологии зависит от конструкции изделия, условий его эксплуатации, объема изготовления и имеющихся производственных ресурсов.
Неправильная организация технологического процесса, неудовлетворительная подготовка исходных компонентов, несоблюдение технологических режимов (давления прессования, продолжительности и температуры процесса, предписаний по подготовке сырья и материалов) и многие другие причины могут значительно изменять свойства готовых изделий.
Поэтому очень важно не только грамотно, с учетом конструкции и условий эксплуатации изделий, построить технологический процесс, но и при его реализации четко соблюдать технологические режимы. С этой целью необходимо на всех стадиях процесса осуществлять текущий контроль технологических параметров и свойств изготавливаемого изделия.