ТЕРМОСТОЙКИЕ МАТРИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ФОРМОВАНИЯ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
» Е
. Исходя из этого, на их счет нельзя однозначно переносить закономерности разрушения полимерного композиционного материала, армированного волокном. Здесь, пожалуй, частично сочетаются эффект подкрепления материала матрицы с эффектом реализации прочности армирующего наполнителя. Во всяком случае, прочность матрицы в таких композитах играет существенную роль, и ее необходимо учитывать [1-4].
На основе углеродных волокон создан самый теплостойкий углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит почти чистый углерод. Углеродная матрица объединяет в одно целое армирующие элементы в композите, что позволяет наилучшим образом воспринимать различные внешние нагрузки.
Углеродная матрица, подобная по физико-механическим свойствам углеродному волокну, позволяет наиболее полно реализовать в УУКМ уникальные свойства углеродного волокна и обеспечить высокую термостойкость композита, присущую углеродному волокну [5].
Углеродные матрицы имеют широкий спектр физико-механических характеристик, которые в значительной степени зависят от метода получения, определяющего структуру и свойства матрицы [6].
УУКМ имеют самый широкий спектр схем армирования: хаотично армированные, ориентированные в двух направлениях и многонаправленные. Многонаправленные образования относят к пространственно армированным структурам (ПАС), а составляющие их элементы - элементами пространственно армирующих структур (ЭПАС). Количество направлений армирования обозначают ЗД, 4Д, 5Д и т.д. Кроме линейных, существуют криволинейные схемы армирования (аксиально-радиальноокружная, аксиально-спиральная, аксиально-радиально-спиральная и т.д.) рис. 13.1. Для изготовления сложных схем армирования УУКМ разработаны оригинальные технологии и аппаратурное оформление [2,3].
Рис. 13.1. Принципиальные схемы расположения волокон в УУКМ: а - хаотичная; б - слоистая; в - розеточная; г - ортогональная ЗД; д - Д; с - 4 Д-Л; ж - 5Д-Л; з - 5Д; и - аксиально-радиально-окружная; к - аксиально-спиральная; л - радиально-спиральная; м - аксиально-радиально-спиральная.
Наиболее широко применяют два способа получения углеродной матрицы:.
- карбонизация полимерной матрицы заранее сформованной углепластиковой заготовкой путем высокотемпературной обработки в не-окисляющейся среде;.
- осаждение из газовой фазы пироуглерода, образующегося при термическом разложении углеводородов в порах углеволокнистого каркаса.
Процесс карбонизации полимерной матрицы схож с рассмотренным выше процессом карбонизации полимерных волокон при получении УВ. Он представляет собой высокотемпературную обработку изделия из углепластика до температур 800 - 1500°С в неокисляюшейся среде (инертный газ, угольная засыпка и т.д.). Цель термообработки -перевод связующего в кокс, с максимально возможном сохранением углеродного остатка. Механизм и кинетика карбонизации определяются соотношением скоростей диссоциации химических связей и рекомбинацией образовавшихся радикалов. Процесс сопровождается удалением испаряющихся смолистых соединений и газообразных продуктов и образованием твердого кокса, обогащающегося атомами углерода. Поэтому в процессе карбонизации ключевым моментом является выбор тем-пературно-временного режима, который должен обеспечивать максимальное образование коксового остатка из связующего, поскольку механическая прочность карбонизованного композита зависит, помимо прочего, от количества образовавшегося кокса.
В процессе карбонизации происходит термодеструкция матрицы, характеризующаяся потерей массы, усадкой, образованием большого числа пор и снижением вследствие этого физико-механических свойств композита. Коксовую матрицу углеродных композитов можно модернизировать за счет многократного процесса дополнительной пропитки и повторной карбонизации, позволяющего регулировать плотность и прочность материала. Плотность углеродной матрицы является важным качественным показателем и может колебаться от 1600 до 2100 кг/м . В то же время пористость УУКМ зависит не только от технологического процесса получения, но в большой степени от вида исходного сырья и содержания в нем углерода. Так можно сравнить три наиболее используемых связующих для УУКМ и плотности получаемых на их основе углеродных матриц. Фенолформальдегидные- 1650 кг/м , фурановые- 1850 кг/м , каменноугольные и нефтяные пеки (содержащие до 94% углерода) - 2100 кг/м .
В зависимости от структуры различают два вида кокса - изотропный и стручатый. Изотропный кокс представляет собой структуру, отличающуюся большим количеством поперечных связей и высоким пределом прочности (до 80 МПа при сжатии и модуле упругости 500 МПа) и относительно большим КЛТР (5 10" ). Стручатый кокс обладает весьма совершенной кристаллической структурой, имеет более низкие коэффициент температурного расширения и прочность при сжатии (примерно в два раза).
При растяжении зависимость свойств углеродной матрицы от ее структуры не так существенна: модуль упругости меняется от 1 до 2 ГПа, предел прочности - от 10 до 15 МПа.
При получении УУКМ согласно способу осаждения пироуглерода из газовой фазы осаждающийся пироуглерод создает соединительные мостики между волокнами. Кинетика осаждения и структура получаемого пироуглерода зависят от многих факторов: температуры, скорости потока газа, давления, реакционного объема и т.п.
Характеристики пироуглерода, полученные при изотермическом