Терминология композиционных материалов согласно российскому стандарту 32794-2014

Введение в стандарт ГОСТ 32794-2014

Межгосударственный стандарт ГОСТ 32794-2014 представляет собой ключевой нормативный документ, устанавливающий единую терминологическую базу в области полимерных композиционных материалов. Данный стандарт был разработан Объединением юридических лиц Союз производителей композитов совместно с Федеральным государственным унитарным предприятием Всероссийский институт авиационных материалов. Документ введен в действие с первого сентября две тысячи пятнадцатого года приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.

Стандарт создавался с целью унификации понятийного аппарата, используемого специалистами отрасли композитных материалов. До принятия данного документа терминология в российской технической литературе и документации характеризовалась значительной разнородностью, что затрудняло взаимодействие между проектировщиками, технологами, производителями и потребителями композитной продукции. Внедрение единых терминов и определений способствует повышению качества технической документации и облегчает обмен знаниями в профессиональном сообществе.

Структура и область применения стандарта

Терминологическая система стандарта ГОСТ 32794-2014 построена по систематизированному принципу, отражающему иерархию понятий в области полимерных композитов. Документ разделен на несколько тематических разделов, каждый из которых охватывает определенную группу взаимосвязанных терминов. Такая структура облегчает поиск необходимых определений и позволяет лучше понять взаимосвязь различных понятий.

Для каждого понятия в стандарте установлен один основной стандартизованный термин. В некоторых случаях приводятся краткие формы терминов в виде словосочетаний или аббревиатур, которые допускается применять в контекстах, исключающих различное толкование. Не рекомендуемые к применению термины-синонимы также указываются, но сопровождаются специальной пометой, чтобы направить пользователей к корректной терминологии.

Основные разделы стандарта

Структура стандарта включает несколько ключевых разделов. Первый раздел содержит общие термины и определения, относящиеся к композиционным материалам в целом. Второй раздел посвящен исходным компонентам для образования матрицы полимерных композитов, где подробно описываются различные типы полимеров, смол и связующих веществ. Третий раздел охватывает наполнители для изготовления композитов, включая классификацию по форме, размеру и функциональному назначению.

Четвертый раздел стандарта описывает технологические процессы изготовления полимерных композитов, включая методы формования, отверждения и переработки. Пятый раздел содержит термины, относящиеся к характеристикам и свойствам готовых композиционных материалов, таким как механические, физические, химические и эксплуатационные параметры. В конце документа приводятся алфавитные указатели терминов на русском, английском и французском языках, что значительно упрощает работу с международной технической документацией.

Базовые понятия композитных материалов

Согласно стандарту, композит определяется как сплошной продукт, состоящий из двух или более материалов, которые отличаются друг от друга по форме, фазовому состоянию, химическому составу или свойствам. Эти материалы скреплены преимущественно физической связью и имеют четко выраженную границу раздела между обязательным компонентом – матрицей – и наполнителями, включая армирующие элементы. Принципиально важным является то, что матрица и наполнитель образуют единую структуру, работающую совместно для обеспечения необходимых свойств конечного изделия.

Композиционные материалы создаются не просто механическим смешением компонентов, а формированием системы, в которой свойства целого принципиально отличаются от простой суммы свойств отдельных составляющих. Такой синергетический эффект достигается за счет правильного подбора матрицы и наполнителя, оптимизации их соотношения, обеспечения прочной адгезионной связи на границе раздела фаз и рационального распределения армирующих элементов в объеме материала.

Роль матрицы в композите

Матрица полимерного композита представляет собой твердую структуру, состоящую из термореактивного или термопластичного полимера либо эластомера. Основная функция матрицы заключается в обеспечении цельности композита, связывании армирующих элементов в единое целое. Матрица отвечает за передачу и распределение механических напряжений между армирующими волокнами, защищает наполнитель от воздействия окружающей среды и во многом определяет эксплуатационные характеристики готового материала.

Свойства матрицы критически влияют на такие параметры композита, как теплостойкость, влагостойкость, огнестойкость и химическая стойкость. Матрица формируется в результате обратимого процесса стеклования или кристаллизации термопластичных полимеров, либо необратимого отверждения термореактивных полимеров, либо вулканизации эластомеров. Выбор типа матрицы зависит от требований к конечному изделию, условий его эксплуатации и применяемых технологий производства.

Функции армирующих наполнителей

Армирующий наполнитель представляет собой материал или изделие, соединенное с полимерной матрицей до начала процесса отверждения с целью значительного улучшения физико-механических характеристик композита. К армирующим наполнителям относятся непрерывные и штапельные волокна, ровинги, ленты, различные типы тканей, маты, нитевидные монокристаллы и другие формы армирующих элементов. Важно отметить, что термин армирующий наполнитель не является синонимом общего термина наполнитель, поскольку выполняет специфическую упрочняющую функцию.

Армирующие наполнители обеспечивают основной вклад в прочностные и жесткостные характеристики композита. Волокна, как правило, обладают значительно более высокими прочностью и модулем упругости по сравнению с полимерной матрицей. При правильной ориентации армирующих элементов можно создавать материалы с заданной анизотропией свойств, оптимизированные под конкретные условия нагружения. Эффективность армирования зависит не только от свойств самих волокон, но и от качества адгезионного контакта с матрицей.

Термины, относящиеся к матрицам

Стандарт ГОСТ 32794-2014 подробно классифицирует типы матриц, используемых в полимерных композитах. Основное разделение происходит по характеру молекулярной структуры и поведению полимера при нагревании. Термореактивные матрицы формируются из олигомеров или преполимеров, которые в процессе отверждения образуют трехмерную сетчатую структуру с ковалентными химическими связями между макромолекулами. Этот процесс является необратимым, и после полного отверждения материал не может быть переведен обратно в вязкотекучее состояние.

Термопластичные матрицы состоят из линейных или разветвленных макромолекул, между которыми действуют относительно слабые вандерваальсовы силы или водородные связи. При нагревании такие полимеры переходят в вязкотекучее состояние, что позволяет формовать изделия, а при охлаждении вновь затвердевают. Этот процесс является обратимым и может повторяться многократно, что обеспечивает возможность повторной переработки термопластичных композитов.

Термореактивные полимерные матрицы

Термореактивные матрицы получают из различных типов смол и олигомеров. Наиболее распространенными являются эпоксидные смолы, которые отличаются высокими адгезионными свойствами, низкой усадкой при отверждении и отличными механическими характеристиками. Полиэфирные и винилэфирные смолы широко применяются благодаря приемлемому соотношению стоимости и свойств, хорошей химической стойкости и технологичности. Фенольные смолы используются в приложениях, требующих повышенной огнестойкости и работы при высоких температурах.

Процесс отверждения термореактивных матриц сопровождается образованием трехмерной сетчатой структуры, что приводит к получению неплавкого и нерастворимого материала. Степень отверждения характеризует полноту протекания химических реакций и напрямую влияет на конечные свойства композита. Недостаточно отвержденные материалы демонстрируют пониженные механические характеристики и теплостойкость, тогда как чрезмерное отверждение может привести к повышенной хрупкости.

Термопластичные полимерные матрицы

Термопластичные матрицы включают широкий спектр полимеров с различными свойствами. Базовые термопласты, такие как полиэтилен и полипропилен, характеризуются невысокой стоимостью и хорошей технологичностью, но ограниченными рабочими температурами. Конструкционные термопласты, включающие полиамиды и поликарбонаты, обеспечивают значительно лучшие механические свойства и теплостойкость. Высокотемпературные термопласты, такие как полиэфирэфиркетон и полиэфиримид, используются в наиболее требовательных применениях.

Преимуществом термопластичных матриц является возможность повторной переработки и быстрые циклы формования, поскольку не требуется длительного процесса химического отверждения. Термопластичные композиты обычно демонстрируют более высокую ударную вязкость и лучшую стойкость к образованию трещин по сравнению с термореактивными аналогами. Однако требуется более сложное и дорогостоящее оборудование для переработки, особенно при работе с высокотемпературными термопластами.

Термины, относящиеся к наполнителям и армирующим материалам

Стандарт устанавливает детальную классификацию наполнителей по различным признакам. По геометрии частиц наполнители подразделяются на дисперсные (порошкообразные), волокнистые, листовые и объемные. По функциональному назначению выделяют армирующие наполнители, которые значительно повышают прочностные характеристики, упрочняющие наполнители, обеспечивающие умеренное улучшение свойств, и инертные наполнители, вводимые преимущественно для модификации технологических характеристик или снижения стоимости.

По химической природе наполнители делятся на органические и неорганические. Органические наполнители включают природные волокна растительного и животного происхождения, а также синтетические органические волокна на основе различных полимеров. Неорганические наполнители представлены минеральными веществами, стеклянными, углеродными, базальтовыми и керамическими материалами. Выбор типа наполнителя определяется требуемыми свойствами композита, условиями эксплуатации и экономическими соображениями.

Волокнистые армирующие материалы

Волокнистые наполнители являются наиболее эффективными армирующими элементами для полимерных композитов. Стекловолокна представляют собой наиболее распространенный тип армирования благодаря оптимальному сочетанию механических свойств и стоимости. Типичные стеклянные волокна E-типа обеспечивают прочность при растяжении в диапазоне 3100-3800 МПа и модуль упругости около 76-81 ГПа.

Углеродные волокна характеризуются исключительно высокими удельными прочностью и жесткостью, низкой плотностью и превосходной усталостной стойкостью. Высокопрочные углеродные волокна достигают прочности при растяжении 3000-4500 МПа при модуле упругости 200-250 ГПа. Высокомодульные углеродные волокна обеспечивают модуль упругости до 370-700 ГПа при прочности 2000-3000 МПа.

Препреги как полуфабрикаты

Препрег представляет собой ключевой полуфабрикат в производстве высококачественных композитных изделий. Данный материал состоит из волокнистого армирующего наполнителя, предварительно пропитанного связующим веществом в контролируемых условиях. Препреги поставляются в виде лент или тканей с защитными пленками и требуют хранения при пониженных температурах для предотвращения преждевременного отверждения связующего.

Использование препрегов обеспечивает высокую повторяемость свойств готовых изделий благодаря точному контролю содержания связующего и его равномерному распределению. Препреги позволяют создавать сложные многослойные структуры с заданной ориентацией армирования в каждом слое. Основными недостатками препреговой технологии являются необходимость специального оборудования для формования, таких как автоклавы, и ограниченный срок хранения материала.

Технологические термины и процессы

Стандарт ГОСТ 32794-2014 включает обширную терминологию, связанную с технологическими процессами изготовления полимерных композитов. Процесс отверждения определяется как необратимая химическая реакция, в результате которой термореактивная смола переходит из жидкого или вязкотекучего состояния в твердое неплавкое состояние. Отверждение может протекать при комнатной температуре, при повышенных температурах или под действием различных физических факторов, таких как ультрафиолетовое или электронное излучение.

Формование представляет собой совокупность технологических операций, обеспечивающих придание композитному материалу заданной формы и структуры. Методы формования различаются по типу применяемого давления, температурному режиму, использованию вакуума или инертных газов. Ключевыми параметрами процесса формования являются температура, давление, время выдержки и скорость нагрева, которые определяют качество получаемых изделий и степень реализации потенциальных свойств композита.

Методы изготовления композитов

Контактное формование представляет собой наиболее простой и доступный метод, при котором слои армирующего материала последовательно укладываются на форму и пропитываются связующим вручную или с помощью роликов. Метод не требует дорогостоящего оборудования, но характеризуется низкой производительностью и значительной зависимостью качества от квалификации персонала. Вакуумная инфузия является развитием контактного метода, при котором пропитка осуществляется под действием вакуума, что обеспечивает лучшее качество и меньшую пористость.

Автоклавное формование применяется для производства наиболее ответственных изделий, где требуются максимальные механические характеристики. Процесс происходит в автоклаве при повышенных температуре и давлении, что обеспечивает минимальную пористость, высокую степень уплотнения и оптимальные свойства. Пултрузия используется для изготовления профильных изделий постоянного сечения путем протягивания пропитанных волокон через фильеру с нагревом. Метод обеспечивает высокую производительность и стабильное качество продукции.

Режимы отверждения и консолидации

Режим отверждения представляет собой заданную зависимость температуры от времени в процессе превращения термореактивного связующего в твердое состояние. Оптимальный режим отверждения обеспечивает полноту химических реакций, минимизацию внутренних напряжений и достижение максимальных эксплуатационных характеристик материала. Типичный режим включает стадию нагрева до рабочей температуры, выдержку при этой температуре и контролируемое охлаждение.

Консолидация определяется как процесс уплотнения слоев препрега или других полуфабрикатов под действием давления и температуры с целью удаления воздуха, летучих компонентов и формирования монолитной структуры. Качество консолидации критически влияет на межслоевую прочность, пористость и общие механические свойства ламината. Недостаточная консолидация приводит к повышенной пористости, расслоениям и снижению прочностных характеристик.

Характеристики и свойства композитов

Стандарт устанавливает терминологию для описания различных характеристик полимерных композитов. Объемная доля армирующего наполнителя определяется как отношение объема армирующих волокон к общему объему композита, выраженное в процентах или долях единицы. Данный параметр является критическим для прогнозирования механических свойств, поскольку прочность и жесткость композита в первом приближении пропорциональны содержанию волокон. Типичные значения объемной доли волокон в конструкционных композитах составляют от тридцати до семидесяти процентов.

Пористость композита представляет собой объемную долю пустот в структуре отвержденного материала и является одним из важнейших показателей качества. Повышенная пористость негативно влияет на все механические свойства, особенно на межслоевую прочность при сдвиге, сопротивление усталости и поглощение влаги. Качественные композиты, изготовленные с применением автоклавного формования, характеризуются пористостью менее одного процента. Материалы, полученные методом вакуумной инфузии, демонстрируют пористость один-три процента. При простых методах формования пористость может достигать трех-пяти процентов.

Механические характеристики

Прочность при растяжении определяется как максимальное растягивающее напряжение, которое способен выдержать образец композита до разрушения. Для однонаправленных композитов различают прочность вдоль волокон и поперек волокон, причем эти значения могут различаться в десятки раз. Модуль упругости при растяжении характеризует жесткость материала и определяется наклоном начального участка диаграммы напряжение-деформация. Анизотропия упругих свойств является характерной особенностью волокнистых композитов.

Межслоевая прочность при сдвиге представляет собой критический параметр для слоистых композитов, характеризующий сопротивление расслоению. Данное свойство в значительной степени определяется качеством матрицы и адгезионной связью между слоями. Ударная вязкость характеризует способность материала поглощать энергию при динамическом нагружении без разрушения. Композиты на термопластичной матрице обычно демонстрируют существенно более высокую ударную вязкость по сравнению с термореактивными аналогами.

Физико-химические свойства

Температура стеклования представляет собой характеристическую температуру, при которой аморфный полимер переходит из стеклообразного в высокоэластическое состояние. Для термореактивных матриц температура стеклования в значительной степени определяет верхний предел рабочих температур композита. Высокотемпературные эпоксидные системы могут иметь температуру стеклования в диапазоне 150-180 градусов Цельсия, тогда как у стандартных систем этот параметр составляет 80-120 градусов.

Водопоглощение характеризует способность композита впитывать влагу из окружающей среды и является важным параметром для материалов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности. Поглощение влаги приводит к снижению температуры стеклования, ухудшению межслоевых свойств и может вызывать набухание материала. Химическая стойкость определяет устойчивость композита к воздействию различных агрессивных сред, включая кислоты, щелочи, растворители и топлива.

Типы разрушений и дефектов

Стандарт ГОСТ 32794-2014 устанавливает терминологию для описания различных типов разрушений композитных материалов. Адгезионное разрушение происходит по границе раздела фаз между матрицей и армирующим наполнителем и свидетельствует о недостаточной прочности межфазной связи. Такой тип разрушения является наименее желательным, поскольку не позволяет реализовать потенциал прочности армирующих волокон. Причинами адгезионного разрушения могут быть загрязнение поверхности волокон, несовместимость материалов или недостаточная обработка волокон аппретами.

Когезионное разрушение протекает внутри объема матрицы или армирующих волокон и, как правило, свидетельствует о хорошем качестве межфазной границы. При разрушении высококачественных композитов наблюдается комбинированный механизм, включающий разрыв волокон, растрескивание матрицы, вытягивание волокон из матрицы и расслоение между слоями. Характер разрушения зависит от типа нагружения, скорости деформирования, температуры и ориентации армирования относительно направления нагрузки.

Дефекты структуры композитов

Расслоение представляет собой разделение слоев ламината вследствие разрушения межслоевой связи. Расслоения могут возникать как в процессе изготовления из-за недостаточной консолидации, так и в процессе эксплуатации под действием ударных нагрузок, циклических напряжений или термических воздействий. Расслоения критически снижают несущую способность конструкции и могут приводить к внезапному катастрофическому разрушению. Обнаружение расслоений осуществляется методами неразрушающего контроля, такими как ультразвуковая дефектоскопия.

Сухие зоны представляют собой области, где армирующие волокна не полностью пропитаны связующим, что приводит к локальному ослаблению материала и может служить концентратором напряжений. Образование сухих зон обычно связано с недостаточным давлением при формовании, повышенной вязкостью связующего или неправильным режимом вакуумной инфузии. Микротрещины в матрице возникают под действием механических или термических напряжений и, хотя не всегда критичны для прочности, могут служить путями проникновения влаги и агрессивных сред.

Контроль качества композитов

Неразрушающий контроль композитных материалов включает комплекс методов, позволяющих выявлять дефекты без повреждения изделий. Ультразвуковая дефектоскопия является наиболее распространенным методом обнаружения расслоений, пористости и непропитанных зон. Радиографический контроль применяется для выявления посторонних включений, трещин и оценки качества соединений. Термографический контроль позволяет обнаруживать дефекты по локальным изменениям теплопроводности материала.

Визуальный контроль остается важным методом первичной оценки качества композитных изделий, позволяющим выявлять поверхностные дефекты, такие как царапины, вмятины, трещины, расслоения кромок и неравномерность отверждения. Разрушающие испытания проводятся на образцах для определения фактических механических характеристик материала, включая прочность при различных видах нагружения, модули упругости, ударную вязкость и другие параметры согласно требованиям соответствующих стандартов.