|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы изготовляются на специально сконструированных для этой цели станках. Ткани с гофрированными нитями состоят из двух слоев, соеди- J ненных вместе нитями так, что конфигурация соединений представ- ляет собой либо треугольник, либо прямоугольник. Трехмерных тканей в истинном смысле этого слова не существует. Обычные плоскостные ткани соединяются пряжей в третьем направлении. Эта пряжа проходит в основном направлении машины (1), затем под углами +45° (2) и -45° (3) от этого направления. 8.5.9. Измельчение волокон Непрерывное стекловолокно может быть разрублено на очень! короткие волоконца (длиной 0,40 ... 0,35 мм). Реальная длина! волокон определяется диаметром отверстий в ситах, через которое? оно просеивается. Измельченное волокно используют как инертный наполнитель для термо- и реактопластов. в.6. Поверхностные свойства 8.6.1. Ровинги Для стекловолоконных ровингов процесс нанесения химических аппретов может быть совхмещен аппаратурно с процессом формования волокна. Аппрет должен быть подобран так, чтобы удержать вместе элементарные волокна, действовать как замасли-ватель, облегчая процессы последующей механической переработки и одновременно препятствовать полной смачиваемости стекловолокон при создании композитов. Наиболее широкое распространение имеет обработка стекло-ровингов аппретом из поливинилацетата, образующего пленку с последующей обработкой метакрилатно-хлоридным комплексом хрома и (или) органосиланами, антистатиками и различными замасливателями, придающими стренгам необходимые свойства (хорошую способность к измельчению, хорошую износостойкость, смачиваемость связующим). Пленка, нанесенная на элементарные волокна и сцепляющая их вместе, объединяя стренгу (прядь), предохраняет элементарные нити от преждевременного истирания в процессе вытяжки, объединяет стренги в ровинг и облегчает дальнейшую его переработку. Аппретирующие, шлихтующие вещества имеют одну или более групп, которые химически реагируют с гидроксильными группами на поверхности стекла так же хорошо, как и с другими материалами (особенно с термо- и реактопластами, используемыми как связующие). Шлихтующие вещества являются, таким образом, как бы мостиком между поверхностью стекла и связующим. 196 Они перераспределяют напряжение между податливой матрицей, обладающей низким модулем Юнга и жесткой армирующей компонентой. Антистатики и замасливатели разделяются по требованиям к дальнейшей переработке стеклоровинга, увеличивая его твердость (жесткость) и возможность резки (измельчения). Снятие аппретов должно проводиться в соответствии с требованиями дальнейших технологических процессов, совместимостью со связующими и конечным использованием материалов. Большая часть непрерывных стекловолокон, используемых для армирования, рубится на относительно короткие волоконца (длиной 12,7 ... 50,8 мм) для получения изотропно-прочных материалов. В этой форме волокно используется при напылении, литье из гранул, непрерывном ламинировании, а также при листовом или объемном литье компаундов. Ровинг должен при такой переработке обладать способностью хорошо резаться и диспергироваться с минимальным распадением отдельных прядей на элементарные волокна. Ровинг, предназначенный для резки, может иметь различную жесткость, которая определяется степенью склеивания прядей. Мягкая ровница может создавать трудности для резки, но она хороша при получении изделий сложной формы, при наличии в изделии острых углов или сложных радиусов. Жесткая ровница может быть рекомендована как армирующий компонент в изделиях с простыми радиусами в случае, когда предпочтительна резка волокна. Элементарные стренги, входящие в обычный ровинг, могут быть окрашены и, следовательно, можно проследить за эффективностью равномерного распределения резаного волокна. Ровинг, используемый при намотке нитью или при пултрузии, должен быть хорошо интегрирован в единый жгут. Он должен контролироваться определенным уровнем обрывности элементарных волокон, хорошей смачиваемостью связующим и равноде-формируемостью при приложении нагрузки. При такой подготовке простые жгуты имеют преимущества перед объединенными вместе жгутами. Механические свойства композитов, полученных намоткой, определяют методом, разработанным в лаборатории морской артиллерии США (ЛМА), по которому для оценки механических параметров изготовляют так называемые ЛМА-кольца. Типичные значения предела прочности при изгибе для композитов, полученных методом параллельной намотки, составляют 1207 МПа при модуле упругости 55,2 ГПа [11. Ровинг из S-стекловолокон широко используется в материалах, требующих высоких прочностей. Из таких материалов изготовляют сосуды высокого давления, получаемые намоткой. Специальные полые стекловолокна используются для получения стеклопластиков с уменьшенной удельной плотностью. Эти волокна также перерабатывают методом намотки. 8.6.2. Текстильная пряжа Непрерывное стекловолокно после формования подвергается обработке крахмально-масляным аппретом. Типичный аппрет такого состава представляет собой смесь частично или полностью декстринизированного крахмала или амилозы, гидрогенизиро-ванного растительного масла, катионоактивных смачивающих агентов, эмульгаторов и воды. Малые добавки пленкообразующих веществ (желатина или поливинилового спирта), фунгицидов (предотвращающих появление грибков) и дезинфицирующих средств (например, скипидара) могут также быть введены в аппрет. Такие обработки аппретами (замасливателями) защищают элементарные стекловолокна от повреждений в процессе переработки: крутки, трощения или ткачества. 8.6.3. Ткани из стекловолокон Ткани, изготовленные из текстильных структур, покрытых замасливателями после формования, не пригодны для переработки в КМ с реактопластами. Обычно они используются с термопластами и эластомерными покрытиями, а также с различными лаками при получении гибких электроизоляционных материалов. При использовании термореактивного связующего, крахмально-масляный аппрет является барьером между поверхностью стеклоткани и связующим. Гидрофильный характер аппрета допускает проникцовение влаги между волокном и связующим, что приводит к снижению свойств композитов в воде и в условиях повышенной влажности. Следовательно, аппрет должен быть предварительно удален. Так, ткань может быть подвергнута контролируемой термообработке с целью удаления всех органических веществ. К сожалению, очищенная термообработкой стеклоткань имеет слабые участки взаимодействия поверхности стекловолокон и связующего, что особенно важно, если материал должен сохранить свои свойства в воде и под действием повышенной влажности. Эти недостатки могут быть преодолены, если подвергнуть ткани обработке рядом связующих агентов, таких, как метакрилатно-хлоридный комплекс хрома или органосилан. Такие вещества присоединяются одним концом молекулы к гид-роксильным группам на поверхности стекла и другим - к молекуле связующего. В этом случае образуются химические мостики между поверхностью стекла и матрицей связующего, предохраняя композит от воздействия влаги и старения. Химическая природа аппрета определяет их способность ослаблять влияние внешних факторов на композит: как химических, так и температурных. В табл. 8.7 приведен список и описаны общие характеристики используемых обработок. В табл. 8.8 показано влияние шлихтующих веществ на механические свойства типичных слоистых композитов (это влияние особенно заметно при воздействии влаги). 198 8.7. Отделка стеклотканей Марка ткани Отделка 1, Температурная обработка 112 Полная очистка от всех органических загрязнений с исполь- зованием контролируемого темпер атурно-временного цикла. Ткань должна быть белого цвета 111, 210 Частичная очистка от органических загрязнений при исполь- зовании окислителей. После такой обработки ткани сохраняют высокий процент исходной прочности и обычно имеют бурый цвет 2. Обработка, улучшающая совместимость с полиэфирными связуюищми Волан А Л174, Z6030 Л172, Джаран, Z6075 Волан А Л1120, Z6020 Нанесение на ткань, подвергнутую термообработке (112), метакрилатно-хлоридного комплекса хрома. В результате образуется покрытие светло-зеленого цвета, совместимое с эпоксидными и фенольными связующими Пленки волана А и силана, нанесенные в паре. Покрытие светло-зеленого цвета, прозрачное. По сравнению с воланом А улучшает физические свойства (особенно при повышенной влажности). Обработка повышает также совместимость с эпоксидными связующими -Метакрилоксипропилтриметоксисилан, нанесенный на тер-мообработанную ткань. Прозрачное покрытие, имеющее очень высокие механические свойства и прекрасно сохраняющее прочность при повышенной влажности ВинилсиланЫ, нанесенные на термообработанную ткаиь. Образуется прозрачное покрытие с высокой механической прочностью и значительным сохранением прочности при повышенной влажности 5. Обработки, улучшающие совместимость с эпоксидными связующими Нанесение на ткань, подвергнутую термообработке (112), метилакрилатно-хлорндного комплекса хрома. В результате образуется покрытие светло-зеленого цвета, совместимое с эпоксидными и фенольными связующими Пленки волана А и силана, нанесенные в паре. Покрытие светло-зеленого цвета, прозрачное. По сравнению с воланом А улучшает физические свойства (особенно при повышенной влажности). Обработка повышает совместимость с эпоксидными связующими Покрытие на основе 7-аминопропилтриэтоксисилана, нанесенное на термообработанную ткань, которое придает ткани более или менее жесткий граф в зависимости от требований при ручной выкладке. Может быть использовано с фенольными и поли-имидными связующими Обработка Л^-(р-аминоэтил)-у-аминопропилтриметоксисиланом, имеющим более низкую реакционную способность со связующим по сравнению с Л1100. Может также использоваться с фенольными и полиимидными связующими Марка тканн Отделка А187, Z6040 Обработка 7-глицидоксипропилтриметоксисиланом образует прозрачную пленку, имеющую высокую механическую прочность и хорошее сопротивление воздействию влаги. Широко используется для покрытий при производстве печатных плат Z6032 Обработка катионоактивным солянокислым стирол замещен- ным аминосиланом для улучшения смачиваемости связующим и улучшения связи стекловолокно - связующее. Это покрытие обладает прекрасными механическими свойствами, сохраняет прочность при повышенной влажности и обладает хорошими электрическими и термическими свойствами 4. Обработки, улучшающие совместимость с фенольшми связующими ЛПОО Покрытие на основе Y-аминопропилтриэтоксисилана, нанесен- ное на термообработанную ткаиь, придает ей большую или| меньшую жесткость в зависимости от требований при ручной выкладке. Снимает проблемы длительного крашения. Может быть использовано с фенольными и полиимидными связующими ЛП20, Z6020 Обработка Л'-(-Р-аминоэтил)-7-аминопропилтриметоксиснланом, имеющим более низкую реакционную способность со связующим по сравнению с'ЛПОО. Может также использоваться с фенольными и полиимидными связующими Z6032 Обработка катионоактивными стиролфункциональными ами- нами гидрохлорида силана для улучшения смачиваемости связующим и улучшения связи стекловолокно - связующее. Это покрытие обладает прекрасными механическими свойствами, сохраняет прочность при повышенной влажности и обладает хорошими электрическими и термическими свойствами 5. Обработки, улучшающие совместимость с полиимидным связующим ЛПОО Покрытие на основе 7-аминопропилтриметоксисилана, нанесен- ное на термообработанную ткань, что позволяет изменять жесткость ткани в зависимости от требований при ручной выкладке. Может быть использовано с фенольными и полиимидными связующими Обработка Л'-(Р-аминоэтил)-7-аминопропилтриметоксисиланом, имеющим более низкую реакционную способность со связующим по сравнению с ЛПОО. Может использоваться с фенольными и полиимидными связующими 5. Обработка S {С^-стекла Ровинг из S (С1)-стекла и текстильная пряжа, полученная в промышленных условиях (поставщик - фирма Оуэнз-Корнинг файбергласс ), подвергаются обработке при использовании с эпоксисвязующими непосредственно после процесса формования. Обработка 901, улучшающая совместимость с эпоксисвязующим, имеет ограниченное время жизни, и поэтому транспортирование и хранение должны осуществляться в контролируемых влажностно-температурных условиях. А И 2,0 Z6020 Марка ткани Отделка Обработка 904 обладает большим временем жизни, нежели обработка 901, и также применима при использовании эпоксисвязующих. Ткани на основе пряжи из S-стекла также могут быть подвергнуты обработке силанами, сходной с обработками, приведенными в этой таблице. Обработки, перечисленные в пп. 1-5 этой таблицы, применяются при производстве коммерческой продукции индивидуально, либо в комбинации с оора-ботанными тканями, перечисленными ниже:
Ппимечание. БИ - фирма Бурлингтон индастриз (67)! И-/5 Кш2г^ фирма Харк Швебь%айбер/ласс (S);C-S; Ст - фирма ти-вене (JPS); УИ-фирма Уиигласс индастриз {Ul)\ ЦС-Сй. 8.8. Влияние обработок (шлихтующих агентов) на свойства типичных стеклопластиков Свойства Значения для типа обработки
Стеклоткань 1581 - полиэфирное связуюш/ее Предел прочности при изгибе, ЛШа, по условиям: А 02/100 Предел прочности прн сжатии, ЛШа, по условиям: А D2/100 Предел прочности при растяжении, МПа, по условиям: А 02/100
при Предел прочности МПа, по условиям: А D2/100 Предел прочности при сжатии, МПа, по условиям: А 02/100 Предел прочности при растяжении, МПа, по условиям: А D2/100 Стеклоткань 1581 - эпоксисвязующее изгибе.
8.7. О возможности применения СВКМ при конструировании Армированные стекловолокнами композиты на основе термореактивных и термопластичных связующих являются конструкционными материалами, используемыми в инженерной практике. Параметры компонентов и процессов получения композита определяют различные свойства и эксплуатационные характеристики готового материала. До настоящего времени вопросы инженерного и конструкционного рассмотрения комбинаций составляющих компонентов композитов для оценки возможностей конструкционного применения, были практически не изучены. К счастью, это обстоятельство не затормозило широкое внедрение стеклопластиков (СП) как конструкционного материала 202 в течение последних 20 лет. Следовательно, все новейшие достижения в области исследования улучшенных композитов (т. е. связующих, армированных тем или другим типом стекловолокон) могут быть с успехом применены для решения инженерных и конструкционных задач, связанных с использованием СП. Существует основа конструкционного рассмотрения композитов, использующая данные по армирующим композитам. Тип, форма, число сложений и ориентация волокна существенно влияют на физические и механические свойства композитов. В то же время термо-и огнестойкость композитов в первую очередь определяются природой связующего (например, связующие, включающие бром, более огнестойки, нежели связующие, не содержащие его). Химические и электрические свойства могут определяться как связующей матрицей, так и видом использованного стекловолокна. 8.7.1. Состав стекла Как видно из данных, приведенных в табл. 8.2 и 8.3, свойства стекловолокон определяются в основном составом стекла. Исходя из правила составления смеси, свойства композитов, в свою оче- )едь, также являются функцией исходной композиции стекла. Тараметры стеклопластиков на основе ткани типа 1581 из волокон с различным составом стекла (Я-стекла, S (С1)-стекла и экспериментального [4] YM31A, высокомодульного стекла приведены в табл. 8.9 [2]. Предел прочности при растяжении композитов на основе Я-стекол достигает 1450 ... 1550 МПа, что существенно ниже исходной прочности волокон, составляющей 3450 МПа [2, 3] 8.9. Структура ткани н механические свойства эпоксистеклопластиков для различных композиций стекла а. Структура ткани £1581 S1581 УМЪХА [4] 22,4X21,3 22,4X21,3 22,4X21,3 £С933 1X2 SC9 33 1X2 МС9 33 1X2 ЯС9 33 1X2 SC9 33 1X2 МС9 33 1X2 Многоремизковый сатин Ткань (номер) Плотность (число нитей), см * Пряжа основы (текс-система) Пряжа утка (текс-система) Переплетение б. Механические свойства стеклопластика- При изгибе: предел прочности, МПа модуль упругости, ГПа .li f Предел прочности при сжатии,г ;i.f МПа Предел прочности женин, МПа при растя-
1 Испытания по условиям А. (см. табл. 8.3). Однако волокна на :нове S-стекол позволяют! реализовать в композите предел прочности при растяжении да 2340 МПа, что отражает высокую прочность при растяжении* исходных волокон. Аналогичным образом реализуется в композитах и модуль упругости стекол. Модуль стеклопластиков на основе волокон из композиций YM31A или М-стекол составляет ПО ГПа, что несколько выше, чем модуль упругости (жесткость) композитов из £-стекол (см. табл. 8.9). 8.7.2. Диаметр волокон Изменение диаметра элементарного волокна на основе £-стекла1 оказывает существенное влияние на свойства композитов. Влия-1 ние диаметра элементарных волокон на свойства стеклотекстоли-j тов на основе тканей одинаковой плотности и структуры, полу- ченных как из простой, так и из трощеной пряжи, представлено в табл. 8.10 [2]. 8.10. Механические свойства композитов в зависимости от диаметра элементарной нити а. Ткань из трощеной пряжи Тип ткани Плотность (число нитей), см * Пряжа основы (текс-система) Пряжа утка (текс-система) Переплетение При изгибе h предел прочности, МПа модуль упругости, ГПа Предел прочности при сжатии 1, МПа Предел прочности при растяжении МПа б. Ткань из простой пряжа 181 1581 1281 22,4X21,3 22,4X21,3 22,4X21,3 £С7 22 1X3 £С9 33 1X2 £С3.8 33 1Х2 £С7 22 1ХЗ £С9 33 1X2 £С3.8 83 11 >2 Многоремизковый сатин 641,2 26,8 400,6 413,7 610,9 26,1 446,8 413,7 637,1 28,0 447,5 .! 446,8 Тип ткани Плотность (число нитей), cm~i Пряжа основы (текс-система) Пряжа утка (текс-система) Переплетение При изгибе 1; предел прочности, МПа модуль упругости, ГПа Предел прочности при сжатии 1, МПа Предел прочности при растяжении 1, МПа G7681 D£7781 В7781 23,6X21,3 23,6X21,3 23,6X21,3 ЕС9 66 1X0 £С6 66 1X0 £С3.8 66 1 x0 £€9 66 1X0 £06 66 1X0 £С3.8-66 1X0 Многоремизковый сатин 638,5 26,1 528,8 442,7 654,3 26,9 466,8 457,1 696,4 .27,7 5,482,0 478,5 * Испытания по условиям А, Для материалов на основе трощеной пряжи (ткань типа 1581 из пряжи ЕС9 33 1 X 2 и типа 1281 из пряжи £С3.8 83 1 X 2) диаметр элементарного волокна практически не влияет иа механические свойства. Однако, сравнивая ткани из простой пряжи типа 7781 из пряжи ЕС& 66 1 х О и типа В7781 из более тонкой пряжи EC3.S 66 1 X О, можно видеть, что материал обладает более высоким пределом прочности и модулем при изгибе и пределом прочности при растяжении. В то же время материал из ткани типа 8.п. Механические свойства СВКМ иа основе 5-стекла дли простой и трощеной пряжи Тип ткани Обработка При изгибе: предел прочности, МПа модуль упругости, ГПа Предел прочности при сжатии *, МПа Предел прочности при растяжении *j МПа
* Испытания по условиям А, G7681 на основе более толстой пряжи ЕС 66 1 X О показывает высокую прочность при сжатии. СВКМ из простой пряжи имеют более высокие прочностные характеристики, нежели материалы на основе тканей из трощеной пряжи. Композиты на основе тканей из простой пряжи имеют более высокие прочностные характеристики и для ассортимента из S-стекла (табл. 8.11) [21. Такой эффект является следствием параллельности элементарных волокон в простой пряже, что увеличивает поверхность взаимодействия стекловолокно - связующее. 8.7.3. Модели тканей Характеристики тканей определяются суммарным вкладом пряжи, из которой она делается, и типа переплетения, которое определяет совместную работу пряжи при приложении внешних сил. В случае плотного переплетения ткань будет плохо принимать различную форму, пропитка связующим будет плохой, что приведет к получению композитов с низкими свойствами. В то же время редкое переплетение, содержащее мало нитей, не обеспечивает максимально возможной прочности. Такие ткани могут быть легко раздерганы , в результате чего будет нарушена ориентация волокон в направлении оси максимальной прочности. Увеличение числа несвязанных элементов пряжи (т. е. таких, где основа или уток пересекают две или более нитей, лежащих перпендикулярно к ним) приводит к увеличению прочности композита. Как показано в табл. 8.12, увеличение несвязанных 8.12. Влияние вида ткани на механические свойства композитов Тип ткани Обработка Связующее Число сложений Массовая доля связующего; % Толщина, мм Предел прочности при изгибе 5, МПа Модуль упругости при изгибе 5, ГПа Предел прочности при сжатии 5, МПа Предел прочности при растяжении S, МПа
1 Полотняное переплетение [З]. Редкоуточный сатин [3]. Пятиремизковый сатин типа 7781, * Восьмиремизковый сатин * Испытания по условиям А. участков, которые уменьшают взаимное трение элементов, повышает прочностные характеристики композитов. Более того, nepe-l ход от полотняного переплетения к однонаправленной ленте| сопровождается улучшением механических свойств стеклопластиков. 8.7.4. Соотношение стекловолокно/связующее В большинстве СВКМ может быть применено правило смесей, позволяющее реализовать аддитивную схему расчета свойств. Следовательно, между свойствами композита и качеством каждого из компонентов существует прямая зависимость. В современной практике существует устоявшаяся тенденция увеличивать соотношение стекловолокно/связующее, чтобы повысить эксплуатационные свойства СВКМ. При намотке нитью параллельные пряди стекловолокна наматываются вокруг цилиндрической оправы. В результате при-ката получают материал с очень низким содержанием связующего. Плотная упаковка стекловолокна позволяет довести его массовую долю до 80 %, т. е. до содержания связующего 20 %. Это определяет высокую механическую прочность получаемого композита. Последнее не означает, что влияние связующего незначительно. Отклонение от параллельности волокон при намотке приводит к уменьшению плотности упаковки, а следовательно, к изменению оптимального соотношения волокно/связующее. Так, при спиральной намотке содержание связующего выше, чем при параллельной. Соответственно уровень прочности в первом случае ниже, чем во втором. В СВКМ благодаря различному переплетению в тканях соотношение стекловолокно/связующее становится еще заметнее. Оптимум механических свойств СВКМ достигается 206 при массовой доле связующего 30... 32 %. Даже содержание его 36 ... 38 % считается нормальным. Корреляция соотношения стекловолокно/связующее (выраженного в процентах от массовой доли связующего) и прочностных характеристик была исследована в работе [51. Показано, что механическая прочность стеклопластиков возрастает с уменьшением массовой доли связующего с 55 до 22 % (табл. 8.13 и рис. 8.3). б, МПа 600 -
го 30 50 с,% 8.7.5. Распределение волокон Армированные композиты, в которых стекловолоконные пряди уложены параллельно, имеют максимальные механические характеристики (прочность и жесткость) вдоль волокон. Такое армирование используется при получении материалов методом пултрузии и при некоторых видах намотки. Одним из распространенных видов армирования является прямоугольное (перпендикулярное) усиление, т. е. структура, в которой одна половина прядей лежит перпендикулярно к другой 8.13. Механические свойства СВКМ в зависимости от соотношения стекловолокно/связующее (стеклоткань типа 181/эпоксидиое связующее) Рис. 8.3. Зависимость пределов прочности стеклопластиков от массовой доли связующего С: 1 - прн нзгнбе а^; 2 - прн растяжении а^; 3 - при сжатнн aj
Массовая доля связу- 55,0 49,2 ющего, % Толщина, мм 2,97 3,20 44,0 35,6 31,2 28,0 22,5 22,2 ЛиЛЩИПс!, mai л, л %Jy Kjy fKj Предел прочности при 314 405,4 446,8 572,3 559,9 635,0 602,6 633,7 изгибе 1, МПа Модуль упругости при 15,6 18,1 20,1 23,0 26,3 27,9 30,1 32,0 изгибе 1, ГПа Предел прочности при 311,7 330,3 308,2 366,8 392,3 361,3 374,4 467,5 сжатии,! МПа Предел прочности при 212,4 246,2 279,2 353,7 370,3 420,6 446,1 448,0 растяжении , МПа Нагрузка при растя- 2286 2197 жении, Н 2082 2215 2135 2224 2117 2135 Испытания по условиям А. (ориентации О и 90°). Механическая прочность такого композита меньше, чем однонаправленного вдоль оси армирования. Так как угловое распределение прядей может меняться в интервале О ... 90°, механические свойства могут изменяться пропорционально. А поскольку в тканых материалах уже имеются два преимущественных направления нитей (О и 90°), то у кохмпозитов на их основе максимальная прочность будет вдоль этих осей ориентации. Поворот чередующихся однонаправленных слоев армирующей компоненты относительно преимущественных направлений О и 90° на +45° приводит к дальнейшему уменьшению прочности композита по сравнению с бднонаправленньши образцами. Но при этом повышается прочность СВКМ в направлениях +45°. Распределение ориентации волокон между направлениями О и 90° может частично варьироваться структурой ткани. Сбалансированные ткани с одинаковым распределением пряжи по основе и утку имеют сопоставимые, но не обязательно равные свойства в направлении основы и утка. Ткани с плотной, прочной основой и редким утком, обеспечивающим только формирование ткани, дают устойчивые результаты, как при однонаправленных материалах. Такие композиты имеют максимальную прочность в направлении, соответствующем максимальному количеству ориентированной пряжи. Различия между свойствами одно- и двунаправленных СВКМ приведены в табл. 8.14. Стеклопластики, не имеющие преимуще- 8.14. Влияние распределения пряжи в ткани на механические свойства стеклопластиков 8.15. Свойства стеклопластиков на основе резаного волокна и полиэфирного связующего
Содержание волокна, % 52 48 90 10 Предел прочности при изгибе, МПа, по условиям: А 580,6 539,2 655,0 160,6 О2/100 520,5 472,3 602,6 Модуль упругости при изгибе, ГПа, по условиям: А 27,7 25,2 34,1 17,0 О2/100 26,7 23,5 33,1 10,1 Предел прочности при сжатии, МПа, по условиям; А 432,3 437,1 444,7 199,3 02/100 357,2 375,8 352,3 162,7 Предел прочности при растяжении, МПа, по условиям: А 399,2 378,5 648,1 83,4 О2/100 384,0 346,1 631,6 80,7
ственного направления армирования (например, СВКМ, армированные резаными волокнами), обладают примерно одинаковыми механическими свойствами во всех направлениях (т. е. реализуется изотропия механических свойств). Полученные таким образом композиты имеют сравнительно низкие механические характеристики (табл. 8.15). список ЛИТЕРАТУРЫ 1. PJtt с. F. and Harvey J., 20th Anniversary Technical Conference, SPI Reinforced Plastics Devision, 1965, Section 9-C. 2. Knox C. E., Non-Metallic Materials (SAMPE), 4, 127 (1972). 3. Horton C. E. and Adams R. G., 21st Annual Conference, SPI Reinforced Plastics Devision, 1966, Section 10-A. 4. Knox C. E., New Horizons in Materials and Processing (SAMPE), 18, 527 (1973). 5. Peterson G. P.* Properties of High Modulus Reinforced Plastics*, SPE J., (January 1961).  9. ВЫСОКОСИЛИКАТЫ И КВАРЦ Хью Шулок, Ричард Р. Саффади 9.1. Определения 9.1.1. Высокосиликаты Термин высокосиликаты может быть отнесен для описания особо чистых стекол. Так, для использования их в качестве армирующей компоненты в пластиках, мы определяем высокосиликаты как высокочистое стекло, состоящее более чем на 95 % из кремнезема SiOj, полученного в результате выщелачивания. Высокосиликатные волокна и ткани являются гибкими материалами. Это обусловливает возможность реализации идентичных технологических схем их производства и применения. Стекловолокна с содержанием Si02 ж 65 % подвергают обработке горячей кислотой, что приводит к удалению примесей, но не затрагивает силикатный субстрат. Такой процесс удаления примесей носит название выщелачивание . Большинство способов текстильной переработки обычных стекловолокон (резка волокна, получение нетканых материалов, пряжи, тканей) применимо и к высокосиликатам. Ткани могут быть получены с разной плотностью, толщиной и чистотой материала (95 ... 99,4 % SiOa). 9.1.2. Кварц Кварц - это высокочистое стекло, но мы будем считать кварцевыми волокнами те, что получены из естественных кристаллов кварца и содержат не менее 99,95 % SiOj. Кристаллы формируются в штабики, из которых вытягивают элементарные волокна толщиной в одну пятую толщины человеческого волоса. 240 филамен-тов (элементарных волокон) собирают вместе, обрабатывают замасливателем и получают высокопрочное волокно, которое, в дальнейшем может быть переработано в пряжу, а затем в ткань. Все текстильные виды переработки (включая резку волокна, получение матов, ровингов, корда, лент, нетканых материалов 1 В отечественной литературе используется термин высокотемпературостой-кие стекловолокна , который охватывает кремнеземные, алюмокремнеземные, алюмосиликатные и кварцевые волокна, полученные из высокочистых стекол. - Прим. ред. пер.  Родинг PyLa i Измельченные бштт кручение, трощение \ - 1---1 Ткань.лента^! трощеная пряша ! . топтнои 13-25т В) Рис. 9.1. Схема технологических процессов получения кварцевых штабнков (а) пряжи, ровницы, тканей и матов (б): / - кварцевые кристаллы, поставляемые французской фирмой сКварц э слио; 2 - вакуумная плавильная печь; 3 - кварцевые штабики диаметром 4,4 мм; 4 - секция формования пряжи с плавлением штабнков в пропанокислородном пламени; 5 - секция калибрования; 6 - приемная паковка нити И тканей) могут быть применены и к кварцевым нитям. На рис. 9.1 представлена схема получения штабнков, пряжи, ткани, ровинга и матов. Волокна из чистого кварца (99,95 % SiOj) сохраняют практически все свойства и характеристики кварца в блоке, но одновременно приобретают свойства стекловолокон, в частности ИХ гибкость. 9.2. Историческая справка 9.2.1. Высокосиликаты Высокосиликаты были впервые исследованы фирмой Оуэнз-Корнинг файбергласс , которая получила патент на этот вид продукции. Он был реализован фирмой Томпсон под торговой маркой Рефрасил . Высокосиликатные волокна выпускают также под торговыми марками Силтемп (фирма Хавег ), Астросил (фирма Стивене ) и Альфасил (фирма Альфа ). 9.2.2. Кварц Существует большое число различных волокон, для которцх слово кварц является торговой маркой. Поскольку оно может означать и высокосиликаты, то необходима точность в названии. К этой группе высокочистых стекол не относят плавленый кварц. Кварцевые волокна, так же как стекловолокна, выпускаются тысячами наименований. Первое промышленное кварцевое волокно выпустила французская фирма Кварц э силис . В настоящее время кварцевые волокна в США выпускают фирмы Стивене , под торговой маркой Астрокварц , Дженерал электрик и Альфа под торговой маркой Альфакварц . Месторождения природных кварцевых кристаллов широко распространены во всем мире. Однако месторождения особо чистого кварца, пригодного для изготовления волокон, редки. В частности, такие рудники имеются в Бразилии. 9.3. Формы Высокосиликатные и кварцевые волокна перерабатываются практически во все текстильные формы (табл. 9.1). Так как они обладают большой прочностью и гибкостью, кварцевые волокна более технологичны при переработке в ткани всех типов, плот- 9.1. Существующие формы использования высокосилнкатных н кварцевых волокон и их поставщики
ностей и толщин, чем обычные стекловолокна. Кроме того, с волокнами из кварца совместимо большинство связующих, что облегчает возможность проектирования композитов и процесс их изготовления. 9.4. Использование Высокосиликатные и кварцевые волокна используются при производстве очень широкого ассортимента изделий. Конкретный вид сырья, используемого в том или ином случае, диктуется-требованиями к изготовлению, нуждами производства и ценой сырья (см. п. 9.5). В табл. 9.2 приведены наиболее известные области, где эти волокна могут быть эффективно использованы. Однако список не претендует на полноту. Получение новых типов изделий и исследование иных областей применения, а также появление новых технологий, безусловно, позволят расширить этот список. 9.2. Области применения и рекомендации по ассортименту для переработки высокосилнкатных и кварцевых волокон
Намотка нитью *Tpexi мерная ткань Прямое прессование Намотка ннтью Трехмерная ткань Термозащита возвращаемых космических аппаратов Ткань (0,63 кг/м^) Носовой кондо Ткань (0,35 , 0,63 кг/м2) Ткань (0,66 кг/м*) Ровннг (20 сложений) Пряжа (по необходимости), ткань (0,28...0,66 кг/м^) Ровинг (20 сложений) Намотка нитью Прямое прессование Ткань (0,66 кг/м^) Ровинг (20 сложений) Ткань (0,28...0,63 кг/м^) Выкладка (вакуумное или автоклавное формование) Памотка нитью Прямое прессование Сопла Ткань (0,63 кг/м2) Корд (диаметром (3,2 мм) Ткань (0,35... 0,63 кг/м^) Резаные квадраты (со Резаные квадраты (12,7 мм) стороны 12,7 мм) Резаное волокно (дли- Резаное волокно (6,4 мм) ной 6,4 мм) Детали стабилизаторов и ребра жесткости Ткань (0,28 кг/м^) Ровинг (20 сложений) Ткань (0,28 кг/м^)
Прессование пластика Выкладка (вакуумное или автоклавное прессование) Намотка нитью Выкладка Намотка ишью Электротехнические изделия Ткань (0,19 кг/м ) Антенны Ровинг (20 сложений) Обтекатели Ткань (0,28 кг/м ) Ровииг (20 сложений) Заищта от нагрева и ударной волны Прямое прессование Прямое прессование Ткань (0,63 кг/м^ Маты (нетканые) Резаное волокно (6,4 мм) Резаные квадраты (12,7 мм) Сепараторы Ткань (0,63 кг/м^ Ткань (0,66 кг/м ) Резанов волокно (6,4 мм) Резаные квадраты (12,7 м) 9.5. Цена и прибыль Основным сырьем для производства волокон из высокосили-катов является высокочистый песок. Он достаточно доступен и его цена составляет 33 цента за 1 кг. Кварцевые волокна производят из естественных кристаллов чистого кварца после переплавки. Цена кварца приблизительно составляет 11 долл. за 1 кг. Большое различие в цене сырья при производстве волокон из высокосили-катов и кварца не всегда отражает стоимость конечного продукта. Цена волокна из высокосиликатов находится в пределах 8,8 ... 110,0 долл. за 1 кг в зависимости от вида и конъюнктуры. Волокнистые материалы из кварца имеют цену 99 ... 330 долл за 1 кг, также зависящую от вида продукции и конъюнктуры. Для получения композитов чаще используется менее распространенное высокосиликатное стекло, нежели более распространенное, более прочное, более гибкое и более простое в переработке кварцевое стекло. Большое различие в прочностных свойствах кварцевого и высокосиликатных волокон позволяет уменьшить объемы использования первых. Более того, если необходимо достигнуть высоких термических свойств волокнистых материалов, то высокосиликатные волокна имеют существенные преимущества. Предполагается, что выпускаемая продукция должна удовлетворять технологическим рекомендациям и иметь приемлемую цену. Сравнительные цены на достаточно широкий ассортимент материалов представлены в табл. 9.3. 9.3. Сравнительные цеиы иа материалы из высокосиликатиых и кварцевых волокон
Плотность 0,63 кг/м^ Толщина 6,6 мм Прочность 8,8 кН/м Легкая ткань Плотность 0,35 кг/м^ Толщина 0,33 мм Прочность 5,3 кН/м Тефлоновое покрытие Линейная плотность 6 км/кг Средняя прочность на разрыв 11,1 Н 9,57 Плотность 0,66 кг/м^ 89,70 Толщина 6,9 мм Прочность 84 кН/м Легкая ткань 7,18 Плотность 0,28 кг/м^ 53,82 Толщина 2,8 мм Прочность 32,4 кН/м 29,90 Тефлоновое покрытие 71,76 Линейная плотность 15 км/кг Средняя прочность на разрыв 13,3 Н 9.6. Физические и механические свойства Высокосиликатные и кварцевые волокнистые материалы имеют наиболее высокие удельные прочностные характеристики среди большинства жаропрочных материалов. Кварцевое волокно характеризуется пределом прочности при растяжении приблизительно в 5 раз большим, чем прочность высокосиликатного волокна. Как высокосиликатная, так и кварцевая пряжа достаточно упруги. Удлинение при разрушении составляет около 1 %. Кварцевое волокно сохраняет почти все характеристики и свойства блочного кварца. В табл. 9.4-9.6 представлены физико-механические свойства высокосиликатных и кварцевых волокон, пряжи и тканей. В табл. 9.7 приведен типичный химический состав высокосиликатов и кварцев по данным Центральной исследовательской лаборатории (ЦИЛ) (г. Гарфильд, шт. Нью-Джерси) фирмы Стивене . 1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 22 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |