Волокно-наполненные пластики: преимущества, применение и ключевые свойства

Сегодня применение волокно-наполненных пластиков в изделиях и технологиях огромно благодаря их уникальным свойствам. Это относительно новый класс некорродирующих, высокопрочных, легких материалов. Основной компонент — пластик, содержащий волокна: стекло (в стеклопластике), углерод (в углеродпластике), арамид или базальт. Другие волокна (бумага, дерево, асбест) используются редко.

Волокно-наполненные пластики или полимеры (ВНП) широко применяются в авиации, автопроме, судостроении и строительстве. Все это подробно разобрано в статье.

Мы подробно рассмотрим определение, применение, компоненты, свойства, виды, процессы формовки и требования к материалам ВНП, а также их преимущества и недостатки.

Что такое волокно-наполненные пластики?

Волокно-наполненные пластики (ВНП), или волокно-наполненные полимеры, относятся к композитным пластикам, использующим волокнистые материалы для механического повышения эластичности и прочности полимера. Они состоят из полимерной матрицы — исходного пластика (обычно вязкого, но слабого), которая модифицируется армирующим наполнителем для получения заданных механических свойств.

Традиционно полимер образуется в процессе полимеризации. С различными добавками его свойства улучшают, и тогда материал называют пластиком. Композитные пластики получают из двух и более однородных материалов с разными свойствами для достижения нужных характеристик. Яркий пример — ВНП, где волокна повышают прочность и эластичность пластика. В качестве матрицы чаще используют винилэфирные, полиэфирные термореактивные смолы, эпоксидные или фенолформальдегидные смолы.

Применение волокно-наполненных пластиков

Автомобилестроение

ВНП вытесняют металл в кузовах современных легковых и грузовых автомобилей, а также в обшивке прицепов. При сопоставимой прочности вес значительно ниже, а высокое отношение прочности к весу — ключевой фактор для автопрома. ВНП имеют более высокий предел разрушения, чем сталь, и являются прочными, жесткими и легкими материалами, что снижает расход топлива и повышает скорость. Материал легко формосуется в нужные детали. Применение ВНП в этой отрасли колоссально.

Стеклопластик используют для двигательных компонентов, например, впускного коллектора. Это снижает вес до 60% и упрощает конструкцию. Хотя стеклопластик уступает углеродпластику в прочности и жесткости.

Потребительские товары

В быту легче стал спортинвентарь и бытовая техника — углерод и другие ВНП используются в их производстве. Около 6% ВНП уходит на потребительские товары. Выгоду получили музыкальные инструменты, огнестрельное оружие, палатки, штативы для камер.

Защитное оборудование

При использовании арамидов в ВНП получают материал с экстремально высокой тепло- и ударостойкостью и исключительной механической прочностью. Идеален для бронежилетов, огнестойких костюмов, бронированных транспортных средств и сооружений.

Строительство

Строительство потребляет около 20% ВНП, включая мосты и дороги. ВНП применяют для усиления плит, колонн, балок существующих сооружений — повышают несущую способность или восстанавливают повреждения. Экономически эффективно при эксплуатации старых конструкций под нагрузками, превышающими расчетные.

ВНП выпускают дорожные знаки, ограждения, дренажи, настил мостов. Несущие конструкции автоэстакад, столбы ЛЭП, трубопроводы газа, воды и канализации. ВНП подходят для сборных домов, но чаще используются для мебели, бытовой техники, бассейнов, водосточных систем, сантехники и обмуровки труб.

Энергетика

Спрос на ВНП в энергетике и промышленности прогнозируется ростом более чем на 300%. Особенно в электротехнике и электронике.

Большинство ВНП — хорошие диэлектрики, устойчивы к агрессивным средам, включая коррозионные, термостойки, слатовоспламеняемы, обладают структурной целостностью и устойчивы к УФ-излучению. Стеклопластики немагнитны и искробезопасны — важно для энергетического оборудования.

ВНП применяют для лопастей ветроагрегатов и модулей хранения газовых баков.

Авиакосмическая отрасль

Применение ВНП в авиации растет за счет снижения экологических затрат и развития технологий. Углеродпластики снижают вес на 25% при сохранении или превышении прочности алюминиевых листов. Обеспечивают высокую растяжную прочность, устойчивость к суровым условиям и экстремальным температурам. Коэффициент теплового расширения мал, жесткость высока.

Первоначальные затраты на ВНП в авиации высоки, но экономия на топливе, дальности полета, аэродинамической безопасности окупает их, так как каждый грамм веса на счету.

Углеродпластики позволяют лить сложные детали, сокращая число компонентов на удивительные 95%. Производство становится проще, дешевле и быстрее по сравнению со сталью или литьым алюминием. Современные крупные самолеты состоят более чем на 50% из углеродпластика; лопасти роторов вертолетов и высококлассных дронов все чаще делают из него.

Морская инфраструктура

Волокно-наполненные полимеры стали идеальной заменой дереву на судах и в морских прибрежных зонах. Обеспечивают снижение веса конструкций и повышение коррозионной стойкости. Другие применения: понтонные переправы, платформы для морских баз, подвижные мосты.

Компоненты композитных материалов

Волокна:

Выбранное волокно в основном определяет свойства композита. Три основных типа в строительстве: углеродное, стеклянное и арамидное. Часто материал называют по типу армирующего волокна, например, УНП — углеродно-наполненный полимер. Ключевые отличающие свойства — предел растяжения и жесткость.

Матрицы

Матрица передает силы между волокнами и защищает их от вредных воздействий. Почти исключительно используют термореактивные смолы. Наиболее частые: винилэфирная и эпоксидная. Эпоксидная часто предпочтительнее винилэфирной, но дороже. У эпоксидных матриц срок жизни (pot life) около 30 минут при 20 °C, меняется формулами. Обладают хорошей прочностью, адгезией, ползучестью и химической стойкостью.

Исходный пластик без армирования называют матрицей или связующим веществом. Это вязкий, но относительно слабый пластик, усиливаемый более прочными и жесткими нитями или волокнами. Степень повышения прочности и эластичности ВНП зависит от механических свойств матрицы и волокна, их объемного соотношения, длины и ориентации волокен в матрице. Армирование матрицы по определению происходит, когда материал ВНП демонстрирует повышенную прочность или эластичность по сравнению с матрицей отдельно.

Общие свойства волокно-наполненных пластиков

Характеристики ВНП зависят от механических свойств матрицы и волокна, их объема, длины и ориентации волокен.

Главная причина популярности ВНП — малый вес при невероятной прочности и хорошей усталостной стойкости. Ударная вязкость и сжимаемость также уникальны. Автопром смог заменить металлы легчевесами, сделав авто прочнее, быстрее и топливнее.

ВНП обладают особыми электрофизическими свойствами, высокой экологической стойкостью, хорошей теплоизоляцией, структурной целостностью, огнестойкостью, УФ-стабильностью, стойкостью к химикатам и коррозии.

Требования к материалам или распространенные виды волокон

Стекло:

Стекло — хороший диэлектрик. В сочетании с матрицей дает стеклопластик. Полезен в энергетике: не создает магнитное поле, устойчив к электрическим разрядам. В впускных коллекторах дает снижение веса на 60% по сравнению с чугунными. Повышают качество поверхности и аэродинамику.

Стеклопластик применяли в педалях газа и сцепления — отливаются единым блоком. Волокна ориентируют под расчетные напряжения, повышая долговечность и безопасность. Но эти материалы не так прочны, жестки и ломки, как углеродпластики. Производство может быть дорогим.

Углерод:

Углеродные волокна отличаются высокой растяжной прочностью, химической стойкостью, жесткостью и термостойкостью. Кристаллы углерода ориентированы вдоль оси волокна, повышая отношение прочности к объему. Углеродпластики используют в спортивных изделиях, планерах, удочках.

Углеродпластик в рулях Airbus A310 сократил число деталей на 95%. Простые отливки снизили производственные и эксплуатационные расходы. Стали на 25% легче алюминиевых аналогов, что повысило топливную эффективность.

Арамиды:

Арамиды — синтетические полиамиды из ароматических мономеров (кольцеобразных молекул). Обладают высокой термостойкостью, поэтому применяют в бронежилетах и огнестойкой одежде.

Арамиды получают реакцией аминогруппы и карбоксильной кислотной галогенидной группы. Ароматический полиамид формируют путем проволокки из жидкой серной кислоты в кристаллическое волокно. Волокна скручивают в нити для тканей и тросов. Арамидные волокна производят разными классами прочности и жесткости для конкретных задач, например, резки твердых материалов при изготовлении.

Виды волокно-наполненных полимеров (ВНП)

Стекловолокно-наполненный полимер (СВНП)

Стекловолокна получают из кварцевого песка, известняка, фторида и примесей. Смесь плавится при ~1260 °C. Расплав течет через мелкие отверстия платиновой пластины. Нити остужают, собирают, навивают. Далее волочат для повышения размерной прочности и ткут в нужные формы для композитов.

Стекловолокна — доминирующая арматура для полимерных матриц на основе алюмино-кальциево-боросиликатного состава. Благодаря высоким диэлектрическим и механическим свойствам и низкой восприимчивости. Стекло — хороший ударопрочный волокна, но тяжелее углерода или арамида. В некоторых формах характеристики стекловолокна равны или превосходят сталь.

Армирующая арматура из стекловолоконно-наполненного полимера

Углеродно-волокно-наполненный полимер (УВНП)

В углеродно-волокно-наполненном полимере или пластике модуль упругости составляет 200–800 ГПа. Предельная удлинение 0,3–2,5% — чем ниже удлинение, тем выше жесткость и наоборот.

Углеродные волокна стойки к многим химическим средам, не впитывают воду, отлично выдерживают усталость, не корродируют, не ползут и не релаксируют.

Армирующая арматура из углеродно-волокно-наполненного полимера

Арамидно-волокно-наполненный полимер (АВНП)

Арамид — ароматический полиамид. Известный товарный знак — Kevlar, есть и другие: Twaron, Technora, SVM. Модуль упругости 70–200 ГПа, предельное удлинение 1,5–5% в зависимости от класса. Высокая энергия разрыва — поэтому применяют в шлемах и бронежилетах.

АВНП чувствительны к высоким температурам, влаге и УФ-излучению, поэтому редки в гражданском строительстве. Арамидные волокна имеют проблемы с релаксацией и напряженной коррозией.

Свойства различных типов ВНП по сравнению со сталью

Процессы формовки волокно-наполненных пластиков

Большинство деталей из ВНП изготавливают в формах (инструменте). Формы могут быть вогнутыми (женскими), выпуклыми (мужскими) или закрытыми (с верхней и нижней половиной). Жесткая конструкция обычно задает форму компонентов ВНП. Детали могут формироваться на плоских поверхностях («каул-пластина») или на цилиндрических («мандрель»).

Процессы формовки ВНП заключаются в укладке волокнистого преформа на или в форму. Преформ может быть сухим волокном или уже содержащим измеренное количество смолы («препрег»). Сухие волокна промачивают смолой вручную или впрыскивают смолу в закрытую форму. Затем деталь отверждает, воспроизводя форму формообразующей поверхности. Качество повышают применением тепла и/или давления.

Смотрите видео ниже, чтобы узнать больше о процессах формовки ВНП:

Основные методы формовки ВНП:

Формовка в матрице с оболочкой (Bladder molding):

Отдельные листы препрега укладывают в вогнутую форму вместе с шарообразным пузырем (бладдером). Форму закрывают и помещают в нагревательный пресс. Пузырь надувают давлением, прижимая слои материала к стенкам формы.

Прессовка (Compression molding):

Прессованная деталь называется волокно-наполненным пластиком. Сырец — пластиковый блок, резиновый блок, лист или гранулы — не содержит армирующих волокон. В прессовке заряд SMC или BMC помещают в полость формы. Форму закрывают, материал формосуют и отверждают теплом и давлением. Прессовка дает отличную детализацию геометрических форм: от рельефа и узоров до сложных кривых и точной инженерии.

Автоклав и вакуумный мешок (Autoclave and vacuum bag):

Листы препрега укладывают в открытую форму, покрывают сепарационным слоем, отбойным/пропускающим материалом и вакуумным мешком. Создают вакуум и помещают форму в автоклав (давильный термостат). Деталь отверждает при постоянном вакууме, удаляя застарелый газ из ламината. Процесс популярен в авиации за точный контроль формовки благодаря долгому медленному циклу отверждения (1–несколько часов). Точный контроль обеспечивает точные геометрические формы ламината для прочности и безопасности. Недостатки: медленный, трудоемкий, дорогой — ограничивает применение авиацией.

Накрутка на мандрель (Mandrel wrapping):

Листы препрега наматывают на стальной или алюминиевый мандрель. Материал уплотняют полипропиленовой или нейлоновой лентой. Детали пакетно отверждают вакуумным мешком в печи. После отверждения удаляют ленту и мандрель, получая полые углеродные трубки. Создает прочные и надежные полые углеродные трубы.

Ручная укладка (Wet layup):

Процесс сочетает армирующее волокно и матрицу на формообразователе. Слои волокна укладывают в открытую форму, насыщают жидкой смолой, наливая и втирая в ткань. Форму оставляют на отверждение, обычно при комнатной температуре. Иногда используют нагрев для гарантированного отверждения. Вакуумный мешок сжимает укладку. Стекловолокно — самый частый выбор, результат — стеклопластик. Изготавливают лыжи, каноэ, серфборды и др.

Формовка переносом смолы (Resin transfer molding):

Также называют смольной инфузией. Ткани укладывают в форму, в которую впрыскивают смолу. В RTM смолу давлением загоняют в полость под вакуумом. В VARTM смолу полностью втягивают вакуумом. Процесс дает точные допуски и детализацию, но иногда не полностью промачивает ткань, оставляя промахины.

Намотка нити (Filament winding):

Машины тянут пучки волокна через ванну с смолой и наматывают на вращающийся стальной мандрель в заданных ориентациях. Отверждение при комнатной или повышенной температуре. Мандрель извлекают, оставляя итоговую форму (иногда оставляют внутри).

Пультрузия (Pultrusion):

Пучки волокон и резаные ткани тянут через ванну с смолой, формируя грубую форму. Насыщенный материал выдавливают через нагретую закрытую филировку, где отверждает при непрерывном прохождении. Основные продукты — профильные формы: двухтавры, уголки, швеллеры, листы. Материалы используют для любых стеклопластиковых конструкций: лестницы, поручни, баки, платформы, трубы, опоры насосов.

Опрыскиватель (Chopper gun):

Непрерывные прядки стекловолокна подают в ручной пистолет, который одновременно режет их и смешивает с катализатором (полиэфирная смола). Пропитанная рубленая крошка распыляется на поверхность формы в нужной толщине и конструкции по усмотрению оператора. Процесс идеален для крупносерийного производства по низкой стоимости, но дает меньшую прочность и плохие размерные допуски по сравнению с другими методами.

Преимущества и недостатки волокно-наполненных пластиков

Преимущества:

• Высокая прочность.
• Высокий модуль упругости.
• Низкий вес.
• Высокая устойчивость к усталостному разрушению.
• Хорошая коррозионная стойкость.
• Жесткость — до 3,3 раза выше древесины, нет остаточных деформаций под рабочей нагрузкой.
• Стойкость к гниению и насекомым.
• Готовое изделие эстетично — может не требовать покраски и покрытий.
• Гибкость в проектировании и фabricации.
• Хорошие диэлектрики с низкой теплопроводностью.
• Стеклопластик износостоен — твердая поверхность.
• Низкие затраты на обслуживание и монтаж, хотя нержавеющая сталь дешевле по первоначальной стоимости материала.

Недостатки:

Несмотря на преимущества, у ВНП есть ограничения:

• Прочность в направлении перпендикулярном волокнам экстремально низка (до 5%) по сравнению с продольной.
• Сложное проектирование материала.
• Испытания и производство компонентов ВНП высокоспециализированы.

Заключение

В статье вы узнали о волокно-наполненных пластиках: определение, применение, компоненты композитов, требования к материалам. Рассмотрены виды, процессы формовки, преимущества и недостатки ВНП.

Надеюсь, чтение понравилось. Оставьте комментарий о любимом разделе и делитесь статьей с техническими студентами — им может пригодиться. Спасибо!

Охлаждающие смазки: виды, свойства и применение для долговечности станков Полное руководство по обработке и фabricации пластиков