Широкий ассортимент подшипников ведущих мировых производителей. SKF, FAG, INA, NSK, TIMKEN
Направляющие, каретки, шарико-винтовые передачи для станков и автоматизации
Изготовление нестандартных деталей и узлов по чертежам заказчика
Консультации инженеров, помощь в подборе аналогов, расчёт ресурса
На подшипники NSK
Уже доступен
Армированные пластики представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы и армирующих волокон. Эти материалы сочетают преимущества полимеров с механическими характеристиками волокон, что позволяет создавать конструкции с высокими показателями прочности при сохранении небольшой массы. В современной промышленности наибольшее распространение получили три типа армирующих волокон: стеклянные, базальтовые и углеродные.
Стекловолокно является наиболее распространенным армирующим материалом благодаря оптимальному соотношению характеристик. Его получают путем вытягивания расплавленного неорганического стекла через фильеры. Стеклянные волокна имеют диаметр от восьми до двадцати микрометров и выпускаются в виде нитей, ровингов, тканей и матов.
Базальтовое волокно производится из расплава базальтовых горных пород без добавления химических компонентов. Это экологически чистый материал, который по своим характеристикам занимает промежуточное положение между стекловолокном и углеродным волокном. Базальтовое волокно отличается высокой химической стойкостью и термостойкостью.
Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах при температуре около тысячи пятисот градусов Цельсия с последующим формованием волокон. Модуль упругости непрерывного базальтового волокна составляет 80-90 ГПа, что на пятнадцать процентов выше, чем у Е-стекла. Прочность на растяжение достигает 2500-4000 МПа.
Углеродное волокно представляет собой материал, состоящий из тонких нитей диаметром от трех до пятнадцати микрометров, образованных атомами углерода. Получают углеродные волокна путем термической обработки полиакрилонитрильных или вискозных волокон при температурах от одной тысячи до трех тысяч градусов Цельсия.
Углеродные волокна характеризуются высокой прочностью на растяжение, низкой плотностью, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. Модуль упругости некоторых марок углеволокна может достигать семисот ГПа, а разрывная нагрузка — пяти ГПа.
Выбор типа армирующего волокна определяется требуемыми характеристиками конечного изделия, условиями эксплуатации и экономическими соображениями.
* Для непрерывного базальтового волокна. Базальтовая фибра (короткие волокна) имеет модуль упругости 7-60 ГПа в зависимости от технологии производства.
** Температура применения композита ограничена термостойкостью полимерной матрицы. Для эпоксидных связующих предел составляет 160-200°C, для специальных высокотемпературных матриц — до 240-400°C.
Модуль упругости композиционного материала можно рассчитать по правилу смеси для однонаправленного армирования:
Eкм = Eв × Vв + Eм × (1 - Vв)
где Eкм — модуль упругости композита, Eв — модуль упругости волокна, Eм — модуль упругости матрицы, Vв — объемная доля волокон.
Пример: При армировании эпоксидной матрицы (Eм = 3,5 ГПа) углеродным волокном (Eв = 230 ГПа) с объемной долей 60%:
Eкм = 230 × 0,6 + 3,5 × 0,4 = 138 + 1,4 = 139,4 ГПа
Базальтовое волокно демонстрирует увеличение прочности на двадцать пять процентов и модуля упругости на пятнадцать процентов по сравнению с Е-стеклом при сопоставимой стоимости. Химическая стойкость базальтового волокна в два с половиной — три раза выше для нормальных и щелочных сред и в восемь — семнадцать раз выше для кислотных сред по сравнению со стекловолокном.
Углеродные волокна обладают наивысшими удельными характеристиками прочности и жесткости среди всех армирующих материалов. Благодаря низкой плотности удельный модуль упругости углепластиков превосходит металлические материалы в несколько раз. Однако высокая стоимость углеродных волокон ограничивает их применение отраслями, где критичны масса и механические характеристики.
Длина армирующих волокон является одним из ключевых параметров, определяющих свойства композита. По длине волокна классифицируются на короткие, длинные и непрерывные.
Существует понятие критической длины волокна, при которой напряжение, воспринимаемое волокном в композите, становится равным прочности волокна. При длине волокна меньше критической наблюдается выдергивание волокон из полимерной матрицы при разрушении. Волокна с длиной больше критической разрушаются сами и полностью реализуют свою прочность в композите.
* Значение является приблизительным, основанным на промежуточных характеристиках базальта между стеклом и углеродом.
Короткие волокна (рубленые) имеют длину от трех до пятидесяти миллиметров. Они используются в технологиях литья под давлением и позволяют получать изделия сложной формы. Прочность композитов с короткими волокнами ниже, чем с непрерывными, но они обладают лучшей технологичностью переработки.
Непрерывные волокна обеспечивают максимальную прочность и жесткость композита в направлении армирования. Они применяются в технологиях намотки, пултрузии, укладки препрегов. Композиты с непрерывными волокнами используются в высоконагруженных конструкциях авиационной и космической техники.
Способ распределения и ориентации волокон в полимерной матрице существенно влияет на механические свойства композита и их анизотропию.
При однонаправленном армировании все волокна ориентированы параллельно направлению действия основных нагрузок. Такая структура обеспечивает максимальную прочность и жесткость в направлении волокон, но практически не работает в перпендикулярном направлении. Однонаправленные композиты применяются в лопастях ветрогенераторов, удочках, древках стрел.
Использование тканых материалов обеспечивает более равномерное распределение механических свойств в плоскости. Ткани могут иметь различное переплетение: полотняное, саржевое, сатиновое. При перекрестном армировании прочность вдоль волокон уменьшается примерно в три раза по сравнению с одноосным, но становится одинаковой во взаимно перпендикулярных направлениях.
Трехмерное армирование предполагает наличие волокон в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такая структура обеспечивает высокую межслоевую прочность и сопротивление расслоению, что важно для толстостенных конструкций и изделий, работающих в условиях сложного напряженного состояния.
Объемная доля волокон в композите является критическим параметром, определяющим его механические свойства и технологичность.
При малой объемной доле волокон прочность композита может быть ниже прочности матрицы, поскольку волокна быстро разрушаются при нагружении. Начиная с критической объемной доли прочность композита начинает превышать прочность матрицы. Для большинства систем критическая объемная доля составляет от десяти до двадцати процентов.
При объемной доле волокон около восьмидесяти процентов механические свойства композита снижаются из-за ухудшения сцепления между волокном и матрицей. Матрица не может эффективно смочить и пропитать каждое волокно, что приводит к появлению дефектов структуры.
Для качественного композита необходимо соблюдение определенных соотношений между свойствами волокон и матрицы. Прочность волокон должна быть больше прочности связующего. Удлинение при разрыве волокон должно быть несколько меньше, чем у связующего, что обеспечивает совместную деформацию компонентов без преждевременного разрушения.
Наличие армирующих волокон существенно влияет на технологические процессы переработки композитов и накладывает определенные ограничения на методы формования изделий.
Литье под давлением является основным методом переработки термопластичных композитов с короткими волокнами. При впрыске расплава в форму происходит ориентация волокон вдоль направления течения, что создает анизотропию свойств готового изделия.
Экструзия применяется для получения профилей, труб, листов из армированных композитов. При экструзии волокна ориентируются вдоль направления выдавливания, что обеспечивает высокие механические свойства в продольном направлении. Содержание волокон при экструзии обычно не превышает сорока процентов для обеспечения приемлемой текучести материала.
Метод намотки используется для производства изделий с непрерывными волокнами: труб, емкостей, корпусов двигателей. Непрерывную нить или ленту пропускают через ванну со смолой и наматывают на вращающуюся оправку. Этот метод обеспечивает высокую степень ориентации волокон и максимальную реализацию их прочности.
Пултрузия применяется для производства профилей постоянного сечения с непрерывными волокнами. Волокна протягиваются через ванну с термореактивной смолой, затем через нагретую фильеру, где происходит формование и отверждение. Метод обеспечивает высокую производительность и качество изделий.
Армированные композиты находят широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию свойств.
В авиастроении композиты с углеродными волокнами применяются для изготовления элементов планера, крыла, оперения. Использование композитов позволяет снизить массу воздушного судна на пятнадцать — двадцать процентов относительно традиционных алюминиевых сплавов. В современных самолетах Boeing и Airbus доля композитных материалов достигает пятидесяти процентов от массы конструкции.
В автомобильной промышленности армированные пластики используются для производства кузовных панелей, бамперов, элементов интерьера, силовых деталей. Стеклопластиковые и базальтопластиковые композиты обеспечивают снижение массы автомобиля при сохранении необходимой прочности и жесткости. Углепластики применяются в спортивных и премиальных автомобилях.
Композиты широко используются в судостроении для изготовления корпусов маломерных судов, яхт, катеров. При строительстве судов длиной до двадцати четырех метров доля композитов может достигать сорока процентов. Композиты обеспечивают высокую коррозионную стойкость в морской среде и снижение массы конструкции.
В строительной отрасли композитная арматура из стеклянных и базальтовых волокон используется для армирования бетонных конструкций в агрессивных средах. Базальтопластиковая и стеклопластиковая арматура не подвержена коррозии и имеет удельную прочность в десять раз выше стальной арматуры.
Композитные профили применяются для изготовления оконных конструкций, фасадных систем. При этом важно учитывать, что модуль упругости композитной арматуры в четыре раза ниже стальной, что требует увеличения коэффициента армирования для обеспечения той же жесткости конструкции.
Лопасти ветрогенераторов изготавливаются из композитов на основе стеклянных и углеродных волокон. Длина лопастей современных ветроустановок достигает восьмидесяти метров, и только применение композитов позволяет обеспечить необходимое сочетание прочности, жесткости и малой массы.
В медицине композиты применяются для изготовления протезов, ортопедических изделий, хирургического инструмента. В спортивной индустрии из композитов производятся велосипедные рамы, теннисные ракетки, удочки, лыжи, клюшки и другой инвентарь.
Выбор типа волокон зависит от требований к изделию и условий эксплуатации:
Длина волокон критически важна для механических свойств композита. Существует понятие критической длины — минимальной длины, при которой волокно полностью реализует свою прочность. Для углеродных волокон критическая длина составляет около 100-150 мкм, для стеклянных — 300-400 мкм.
Короткие волокна (3-50 мм) обеспечивают лучшую технологичность при литье под давлением, но дают меньшую прочность. Непрерывные волокна обеспечивают максимальные механические свойства, но требуют специальных технологий переработки.
Оптимальное содержание зависит от типа армирования и технологии переработки:
Повышение содержания волокон увеличивает прочность и жесткость, но ухудшает технологичность переработки и повышает стоимость материала.
Возможность переработки зависит от типа матрицы:
Разработаны технологии химической переработки, позволяющие восстанавливать волокна из отвержденных композитов, но они пока не получили широкого промышленного применения.
Наличие волокон существенно влияет на процесс переработки:
Базальтовое волокно имеет ряд преимуществ:
Примечание: В композитных материалах эксплуатационная температура ограничивается термостойкостью полимерной матрицы и составляет обычно 160-200°C для эпоксидных связующих.
Высокая стоимость углеродных волокон обусловлена сложностью производства:
Однако в последние годы наблюдается тенденция к снижению стоимости углеродных волокон благодаря развитию технологий и увеличению объемов производства.
Выбор зависит от характера нагрузок на изделие:
Основные ограничения включают:
Композитная арматура из стеклянных и базальтовых волокон успешно применяется для армирования бетона:
Однако модуль упругости композитной арматуры в 4 раза ниже стальной, что требует увеличения процента армирования для обеспечения той же жесткости конструкции.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.