В книге впервые с единых позиций рассмотрен комплекс проблем, связанный с разработкой композиционных полимерных материалов. Описаны основные виды связующих, приведены характеристики важнейших видов наполнителей и армирующих элементов. Обсуждены особенности физико-химических процессов при взаимодействии матриц и наполнителей различной природы. В отдельных разделах рассмотрены технологии получения наполненных и армированных материалов, а также заготовок и полуфабрикатов из них.
Приведены сведения об особенностях формования различных видов изделий из наполненных пластмасс и армированных пластиков. Благодаря обширному справочному материала книга представляет большой интерес как справочное пособие при разработке новых видов ПКМ, конструировании и расчете изделий из них, при выборе оптимальных материалов для решения конкретных задач технического характера.
Издание - первое пособие такого рода, в настоящее время книги такого содержания в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют. В обновленном издании добавлены и дополнены главы по технологическим свойствам и применению ПКМ в технике.
Содержание 1. ВВЕДЕНИЕ. . .. . 9 1.1. Определения и классификация полимерных композитов. . 11 1.2. Микромеханические аспекты взаимодействия компонентов ПКМ. . 14 1.3. Упругопрочностные свойства композитов. . . 19 Литература. . . 23
2. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ПКМ). . .. 24 2.1. ПКМ с высоким содержанием волокон. . . 24 2.2. Гибридные и градиентные армированные пластики (ГАП) с регулируемыми механическими свойствами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.3. «Интеллектуальные» композиты. . . 30 Литература. . . 31
3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВЯЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. . .. . 32 3.1. Термореактивные связующие. . . 33 3.1.1. Фенолформальдегидные олигомеры. . . 33 3.1.2. Фурановые олигомеры. . . 36 3.1.3. Кремнийорганические олигомеры (полиорганосилоксаны). . . 37 3.1.4. Ненасыщенные олигоэфиры. . . 39 3.1.5. Эпоксидные олигомеры. . 42 3.1.6. Олигоимиды. . . 47 3.2. Термопластичные связующие. . . 50 3.2.1. Полиолефины. . . 50 3.2.2. Поливинилхлорид (–CH2-CHCl)n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.3. Полистирольные пластики –[CH2–CH(C6H5)]n– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.4. Полиметилметакрилат [CH2–CH3(COCH3)]n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.5. Полиамиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.6. Полиформальдегид (CH2O)n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.7. Ароматические полиэфиры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.8. Полиимиды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.9. Ароматические полиамиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2.10. Полисульфон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.2.11. Фторполимеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.12. Полифениленсульфид. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.13. Полиэфиркетоны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2.14. Полифениленоксид. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3. Модифицированные матричные полимеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Литература: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ .. 73 4.1. Классификация наполнителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.1. Дисперсные наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.2. Волокнистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1.3. Слоистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.1.4. Зернистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2. Классификация армирующих наполнителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.1. Стекловолокнистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.2. Углеволокнистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.2.3. Органоволокнистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.2.4. Бороволокнистые наполнители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.2.5. Базальтоволокнистые наполнители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.2.6. Керамиковолокнистые наполнители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА МАТРИЦА–НАПОЛНИТЕЛЬ. . 160 5.1. Физико-химия формирования поверхности раздела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.1.1. Смачивание и адгезия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.1.2. Диффузия полимеров в волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.1.3. Адгезионная прочность и остаточные напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.1.4. Корреляционные диаграммы прочность композита– прочность сцепления компонентов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5.2. Композиты со стекловолокнистым наполнителем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5.2.1. Влияние природы и состава матрицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 5.2.2. Модифицирование поверхности наполнителя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.2.3. Связь прочности стеклопластиков с прочностью границы раздела. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.3. Композиты с углеволокнистым наполнителем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.3.1. Влияние природы и состава связующего. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.3.2. Влияние обработки поверхности волокон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.3.3. Связь прочности углепластиков с прочностью границы раздела. . . . 194 5.4. Композиты с бороволокнистым наполнителем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 5.4.1. Влияние природы и состава матрицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 5.4.2. Влияние обработки поверхности волокон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 5.4.3. Оценка критической длины волокна из данных адгезионных измерений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 5.4.4. Связь прочности боропластиков с прочностью границы раздела.. . . 202 5.5. Композиты с органоволокнистым наполнителем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 5.1.2. Влияние природы и состава матрицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 5.5.2. Особенности разрушения соединений жесткоцепное органическое волокно–связующее. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 5.5.3. Связь прочности органопластиков с прочностью границы раздела.. 209 5.6. Влияние модифицирования матричных полимеров на адгезионную прочность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПКМ. . . . . 222 6.1. Структура наполненных ПМ в зависимости от состава, размера и формы частиц наполнителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 6.1.1. Связующие и их роль в формировании свойств ПКМ. Физико-химические, реологические и технологические характеристики связующих. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 6. 1. 2. Наполнители и их роль в формировании свойств ПКМ. . . . . . . . . . . . 235 6.2. Разработка непрерывно армированных пластиков с заданными свойствами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.2.1. Общие понятия и представления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.2.2. Разработка конструкционных армированных пластиков. . . . . . . . . . . 250 6.2.2.1. Определение состава конструкционных АП. . . . . . . . . . . . . . . . 251 6.2.2.2. Определение рациональной структуры армирования конструкционных АП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 6.2.3. Разработка АП функционального назначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 6.2.4. Технологическое обеспечение заданных свойств АП. . . . . . . . . . . . . . . 308 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС. . . . 314 7.1. Стадия подготовки исходных компонентов наполнителей и полимерных связующих). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 7.1.1. Оценка основных характеристик дисперсных наполнителей . . . . . . . 317 7.1.2. Подготовка полимерных связующих. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 7.2. Смешение — основной процесс получения дисперсно-наполненных пластических масс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 7.2.1. Смешение и структурные параметры дисперсно-наполненных систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 7.2.2. Критерии эффективности и оценка качества смешения. . . . . . . . . . . . 328 7.2.3. Смешение сыпучих материалов и аппаратурное оформление процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 7.2.4. Смешение низковязких жидкостей с твердыми дисперсными наполнителями и аппаратурное оформление процесса. . . . . . . . . . . . . 336 7.2.5. Смешение высоковязких полимеров и жидкостей с твердыми наполнителями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 7.2.6. Непрерывное смешение высоковязких полимеров с наполнителями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 7.3. Гранулирование пластмасс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 7.4. Основные технологические схемы получения дисперсно-наполненных пластических масс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 7.5. Полимеризационное и поликонденсационное наполнение полимеров . . . . 351 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 8.1. Технологические свойства связующих. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 8.2. Технологические свойства наполнителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 8.3. Технологические свойства ПКМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 8.3.1. Технологические свойства наполненных материалов на основе термопластов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 8.3.2. Технологические свойства наполненных реактопластов. . . . . . . . . . . . 357 8.3.3. Технологические свойства полуфабрикатов армированных пластиков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
9. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ. . . . 359 9.1. Технология получения полуфабрикатов наполненных пластмасс. . . . . . . . 359 9.1.1. Получение премиксов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 9.1.2. Получение препрегов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 9.1.3. Получение волокнитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 9.2. Технология получения полуфабрикатов армированных пластиков. . . . . . . . 367 9.2.1. Виды полуфабрикатов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 9.2.2. Технологический процесс получения полуфабрикатов АП жидкофазным совмещением компонентов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 9.2.3 Технология изготовления полуфабрикатов АП твердофазным совмещением компонентов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
10. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ. . . . . . . . . 394 10.1. Формование изделий из наполненных пластмасс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 10.1.1. Прессование и литьевое прессование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 10.1.1.1. Основные параметры прессования и литьевого прессования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 10.1.1.2. Основное оборудование и оснастка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 10.1.1.3. Технологические расчеты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 10.1.2. Литье под давлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 10.1.2.1. Основное оборудование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 10.1.2.2. Литьевые формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 10.1.2.3. Основы технологии литья под давлением. . . . . . . . . . . . . . . . . 424 10.1.2.4. Технология производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 10.1.3. Экструзия и соэкструзия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 10.1.3.1. Одношнековые экструдеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 10.1.3.2. Двухшнековые экструдеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 10.1.3.3. Дисковые и поршневые экструдеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 10.1.3.4. Принципиальное устройство экструзионных головок. . . . . 439 10.1.3.5. Теоретическая производительность одношнекового экструдера и экструзионного агрегата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 10.1.3.6. Сведения о соэкструзионной технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . 444 10.1.3.7. Технология производства экструзионных изделий. . . . . . . . 447 10.1.4. Штамповка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 10.1.5. Переработка фторопластов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 10.1.5.1. Основные разновидности фторопластов. . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 10.1.5.2. Переработка Ф-4 и Ф-4-НТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 10.2. Формирование заготовок из армированных пластиков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 10.2.1. Выкладка в форме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 10.2.2. Выкладка сухих пакетов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 10.2.3. Пултрузия и роллтрузия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 10.2.4. Напыление волокна и связующего . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 10.2.5. Формирование геометрии и структуры плетением. . . . . . . . . . . . . . . . . 488 10.2.6. Намотка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 10.3. Формование изделий из армированных пластиков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 10.3.1. Контактное формование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 10.3.2. Прессовое формование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 10.3.3. Пневмогидрокомпрессионное формование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 10.3.4. Термокомпрессионное формование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 10.3.5. Магнитоимпульсное формование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 10.3.6. Пропитка заготовок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 10.3.7. Выбор метода формования из условий нагруженности деталей. . . . . 526 10.3.8. Температурный режим формования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ . . .. . . . . . . 536 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
12. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТЕХНИКЕ . . . 548 Авиационная техника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 Ракетная техника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 Космические аппараты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 Автомобильный транспорт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567 Водный транспорт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 Железнодорожный транспорт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 Электротехника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 Строительные сооружения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582 Спортивная техника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584 Развивающиеся виды техники из ПКМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
|