Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство воздушного транспорта

Иркутский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА)

Кафедра естественно-научных дисциплин

Реферат

на тему: «Полимерные композиционные материалы: стеклопластики»

Выполнил: студент Огнёв А.С.

Шифр М-1503363

Принял: доцент КФМН_ Вайчас А.А.

Иркутск 2016

Содержание

• 1. Композиционные материалы
• 1.1 Структура композиционных материалов
• 1.2 Полимерные композиционные материалы: основные типы
• 1.3 Применение ПКМ в строительстве
• 1.4 Применение в промышленности
• 2. Стеклопластики
• 2.1 Производство
• 2.2 Основные свойства и преимущества материала
• 2.3 Применение
• 2.4 Преимущества и недостатки стеклопластиков перед другими материалами
• Список использованной литературы


1. Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала - древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Полимерные композиционные материалы (далее - ПКМ) представляют собой симбиоз двух и более материалов. Основой или матрицей полимерных композитов служат различные пластики (термопласты, эластомеры, реактопласты). Матрица армирована различными составляющими (армирующими волокнистыми наполнителями - АВН), сочетание свойств которых в итоге образует совершенно новый материал с уникальными свойствами, которые отличаются по качеству и количеству от свойств самих наполнителей и матрицы.

Изменение состава матрицы и ее компонентов дает возможность получить материалы с необходимыми в той или иной отрасли промышленности или науки свойствами. Их масса меньше, это создает предпосылки к облегчению общего веса планируемого изделия. Технические же характеристики такого изделия как минимум останутся на прежнем уровне или (чаще всего) будут значительно улучшены.

ПКМ подразделяются по природе своей матрицы. Это - стеклопластики, - органопластики, - углепластики, - боропластики, - текстолиты, - с порошковым наполнением.

По типам ПКМ подразделяется на:

· полимеры, содержащие твердые частицы;

· полимеры, с содержанием жидкости;

· полимеры с газообразными наполнителями;

· смеси из нескольких полимеров.



1.1 Структура композиционных материалов

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами - кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20 - 25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов - нового класса композиционных материалов - еще меньше и составляют 10 - 100 нм.

1.2 Полимерные композиционные материалы: основные типы

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

1.3 Применение ПКМ в строительстве

Строительство с использованием полимерных композитов в настоящее время переживает подъем. Востребованы такие материалы, как арматура из стеклопластика, она же - стекловолокновая, а также базальтовая, сендвич-панели, сваи (шунтовые и гибкие), множественные элементы мостов. Стекловолокновая арматура завоевывает все большую популярность, так как она используется в изготовлении конструкций с повышенной сейсмостойкостью. Арматура из ПКМ, в сравнении со стальной, имеет также значительно меньшую плотность (легче в 3-4 раза) и не подвержена коррозии и каким-либо химическим воздействиям.



1.4 Применение в промышленности

На производстве к герметичности используемых емкостей применяются высокие требования. Им успешно соответствуют емкости из стеклопластика. На предприятиях в целях охраны окружающей среды массово используют бассейны и резервуары из стеклопластика. Эти емкости хранят жидкость, которую невозможно утилизировать через обычные канализационные коммуникации. Они требуют профилактики, но их долговечность признана всеми. Высокие антикоррозийные качества таких резервуаров не допустят утечки вредных для экологии жидкостей.

При изготовлении электротехнического оборудования (а также в станко-, приборо-, судостроении и т.д., но особенно в авиастроении) применяется листовой стеклотекстолит. Сам по себе листовой текстолит состоит из несколько слоев стеклоткани и произведен методом горячей прессовки. Это продукт с высокими электроизоляционными качествами: отличный диэлектрик, с высокими механическими свойствами, обладающий влагостойкостью. Долговечен. Он не горюч и не взрывоопасен, не обладает токсичностью. Воспламеняется при температуре с +350°C. Опасность при работе с ним представляет стекловолокновая пыль, требования к работе с этим материалом на производстве - самые строгие.

Отличный диэлектрик и гетинакс. Это ПКМ с бумажной матрицей, изготавливаемой горячим прессованием, как и текстолит. Несмотря на такую якобы «ненадежную» бумажную основу, будучи пропитанным соответствующими смолами (например, эпоксидной или фенолоформальдегидной) он начинает гореть при +95°C. Прочность на сжатие у него ниже, чем у текстолита, но при изготовлении изолирующих крышек, прокладок, шайб и т.п. он хорошо подходит. Помимо хороших диэлектрических свойств гетинакс успешно сопротивляется действию минеральных масел и смазки. Для улучшения электрической сопротивляемости детали из гетинакса покрывают лаком. Гетинакс чаще всего используется целыми панелями, и выпускают его, как правило, в листах 1,5 х 1 метр.

Самое главное, в чем ПКМ превосходят остальные материалы это то, что они создаются одновременно и часто - под конкретный проект или конструкцию. Варьирование составляющими позволяет создавать те ПКМ, характеристики которых оптимальны для конкретной задачи. Каждое изделие требует индивидуального подхода к его производству, и конструктор, оперируя полимерами, всегда придет к оптимальному их составу.



2. Стеклопластики

Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей - куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики - достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Стеклянные волокна.

Стеклопластики являются одними из наиболее применяемых композиционных материалов, что обусловлено их высокими свойствами и относительно невысокой стоимостью.

Для производства стеклопластиков используются стеклянные волокна различного типа. Основу стекол составляет кремнезем SiО2. Температура плавления диоксида кремния очень высока, для ее снижения в стекло могут быть введены различные добавки, изменяющие при этом свойства конечного продукта. Стекло - это аморфный материал, не имеющий кристаллического строения. Широкую распространенность стеклянных волокон предопределяет их спектр достоинств:

· относительно невысокая плотность волокон 2,4-2,6*10³ кг/м³;

· высокий уровень прочности в условиях действия растягивающих напряжений, удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) стекловолокна выше, чем стальной проволоки;

· хорошие электроизоляционные свойства;

· волокна не горят и не поддерживают горение;

· возможность эксплуатации при повышенных температурах;

· низкий коэффициент линейного температурного расширения и высокий коэффициент теплопроводности;

· химическая стойкость, устойчивость к действию грибков, бактерий и насекомых;

· повышенная влагостойкостью, сохранение высоких прочностных свойств в средах с повышенной влажностью.

Обычно форма сечения стеклянных волокон представляет собой круг. Однако в некоторых случаях выпускают полые и профилированные волокна с формой сечения в виде треугольника, квадрата, шестиугольника и прямоугольника.

Стеклянные волокна используются в виде, как непрерывных нитей, так и резаного (штапельного) волокна.

Технологический процесс получения волокна заключается в подготовке кварцевого песка, известняка, борной кислоты, глины, угля, флюорита и других компонентов, их перемешивании и плавлении в высоко-температурных печах (температура плавления примерно 1260 °С).

Различают одно- и двухстадийные процессы получения стекловолокна.

При одностадийном процессе расплав стекла поступает непосредственно в оборудование, позволяющее получать стеклянную нить, пряжу, ровинг или резаное волокно (штапель). Схема одностадийного процесса приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема одностадийного процесса получения стекловолокна

Элементарные волокна объединяют в нити и пропускают через устройство, в котором на нить наносится специальное покрытие - замасливатель, повышающий компактность нити и защищающий ее от механического воздействия. Собранные в единый пучок элементарные волокна называют жгутом или стренгой. В зависимости от потребности происходит дальнейшая переработка стекловолокна в пряжу, ровинг или штапельное (резаное) волокно.

При реализации двухстадийного процесса расплав сначала перерабатывается в стеклосферы, которые затем поступают в плавильные печи и далее перерабатываются в конечный продукт (рис. 2).

Рис. 2. Схема получения стекловолокон из cтекломассы

При производстве стеклянных волокон используют два типа замасливателей, предотвращающих истирание волокон при их транспортировке и дальнейшей переработке.

Одни из них - технологические замасливатели - применяют только на стадии переработки волокна. Перед изготовлением композиционного материала технологические замасливатели смывают или удаляют путем нагрева волокна до 1400 °С. В качестве технологических замасливателей применяют парафиновую эмульсию, материалы на основе крахмала и другие составы. Для того чтобы обеспечить хорошие адгезионные свойства стеклянных волокон, иногда после удаления технологических за-масливателей на их поверхность наносят специальные материалы, называемые аппретами, способствующими созданию прочной связи на границе между волокном и полимерной матрицей.

Другой тип замасливателей - активные замасливатели - выполняют двойную функцию. Они одновременно предохраняют поверхность волокна от механического воздействия и улучшают адгезию между стеклом и полимерной матрицей. Активные замасливатели с поверхности стекловолокна не удаляются.

Свойства стекол определяются их химическим составом. Типичными (коммерческими) марками стекла считаются марки А, С, Е, S. Наиболее распространены высокощелочные (натриевые, бутылочные) стекла. Наличие большого содержания щелочи определяет их невысокие электрические свойства. Для устранения этого недостатка были разработаны низкощелочные стекла, имеющие хорошие электроизоляционные свойства.

2.1 Производство

Долгое время областью использования стеклопластика являлись космические технологии, авиационная промышленность и судостроение. Исключительные свойства этого материала не могли найти применения в широких отраслях промышленного производства из-за отсутствия в должной мере проработанной и налаженной технологии массового выпуска изделий и профилей заданных форм и размеров. Ситуация изменилась с открытием пултрузионной технологии производства композиционных материалов.

Количество вариантов этой технологии велико. Существуют горизонтальные линии производства, вертикальные, линии непрерывного производства и периодического. При небольших объемах производства применяется метод ручного формования изделий или метод напыления стекловолокна вручную.



2.2 Основные свойства и преимущества материала

Стеклопластик - вид композиционного материала. Как любой композит, данный термопластик обладает повышенной прочностью при малом удельном весе, что позволило ему найти широкое применение во многих сферах.

Емкости из стеклопластика характеризуются сочетанием высокой устойчивости к коррозионному и химическому воздействию и используются для хранения и транспортировки различных продуктов и жидкостей - пищевых или агрессивных.

Композиционные материалы имеют в основе своей армирующий каркас и связующий наполнитель. Стеклопластик представляет собой полимерный наполнитель, армированный стекловолокном в виде нитей, жгутов, тканей и др.

Промышленное производство стекловолокна стало возможным после внедрения пултрузионной (от англ. pull- тянуть, through- сквозь) технологии, в процессе которой предварительно пропитанное волокно протягивается через волочильную фильеру, нагретую до температуры полимеризации.

Стеклопластик характеризуется следующими физическими свойствами:

· малый удельный вес стекловолокна (1,1г/куб. см, что в несколько раз меньше, чем у металлов);

· высокая устойчивость к коррозии (обусловлена низкой диэлектрической проницаемостью полимера);

· высокая удельная прочность стеклопластика (на изгибе до 3 т/кв. см, при растяжении до 6т/кв. см, при сжатии до 3,5т/кв. см);

· устойчивость к температурному воздействию (вследствие низкой теплопроводности);

· доступность (широкое распространение, сравнительно низкая стоимость).

Данные свойства сделали стеклянное волокно наиболее подходящим материалом для изготовления различных емкостей. Контейнеры изготавливаются методом сваривания полипропиленовых листов, затем сверху наносится слой стекловолокна путём машинной намотки. За исключением нестандартных, резервуары из стеклопластика могут устанавливаться как подземным способом, так и наземным при помощи опор или ложементов. Исполнение зависит от места размещения и может быть горизонтальным или вертикальным.

Преимущества стеклопластиковых емкостей:

· высокая износоустойчивость (срок эксплуатации не менее 50 лет);

· отсутствие необходимости бетонирования в случае подземной установки (в отличие от полипропиленовых контейнеров);

· отсутствие необходимости защиты от механического воздействия;

· меньшая стоимость, по сравнению с аналогичной тарой из иного материала (к примеру, нержавеющей стали).

От ряда других материалов композиционного состава отличают стеклопластик свойства, среди которых наиболее важными являются следующие:

· небольшой удельный вес;

· высокие показатели механической прочности;

· коррозионная стойкость;

· температурная стойкость;

· низкая теплопроводность;

· высокие диэлектрические показатели;

· относительно низкая стоимость производства.

Абсолютные значения предела прочности у стеклопластика ниже, чем у стали, но при этом стеклопластик показывает большую удельную прочность. Удельный вес стеклопластика в 3,5 раза меньше, а вес двух равнопрочных конструкций, изготовленных из стеклопластика и из стали, будет отличаться более чем в 2 раза. Отрицательными считаются такие характеристики стеклопластика как:

· хрупкость;

· подверженность абразивному износу (требуется нанесение на поверхность изделия защитного покрытия);

· образование канцерогенной пыли при механической обработке (при работе со стеклопластиком необходимо предусматривать соответствующие защитные мероприятия).

2.3 Применение

На сегодняшний день стеклопластик считается композиционным материалом, наиболее удачно сочетающим в себе необходимые качества и доступную цену. Материал хорошо поддается окрашиванию, нанесению различных покрытий и механической обработке. Технические характеристики стеклопластика обуславливают его востребованность в различных видах производства.

Судостроение и производство емкостных сооружений.

Судостроение - одна из отраслей, инициировавших развитие производства стеклопластика в промышленных масштабах. Большая часть корпусов малотоннажного флота во всем мире сегодня изготовляется из этого материала: весельные и моторные лодки, спасательные шлюпы, гоночные яхты и крейсерные яхты класса люкс, рыболовецкие суда небольшого водоизмещения, катера, скутеры, катамараны и множество других плавсредств. Кроме непосредственно каркасов судов из стеклопластика изготовляют конструкции палуб и кабин, крылья, ходовые мосты, крышки люков и двигателей. В последнее время по аналогии с корпусами лодок из стеклопластика стали выпускать емкости всех возможных видов, начиная от ванн и заканчивая искусственными прудами и бассейнами.

Автомобилестроение.

В автомобильной промышленности распространено применение стеклопластика для изготовления деталей кузовов, бамперов, кабин и кузовного обвеса. Из композиционного материала изготавливают конструкции крепления багажа на крыше и детали интерьера салона. Корпуса гоночных автомобилей (болиды) полностью изготавливаются из стеклопластика, а в спортивных автомобилях из композита часто изготавливают крыши, двери, капоты и крышки багажников. Стеклопластик не подвержен коррозии при повреждении поверхности. В случае деформации при ударе легко восстанавливается. Хорошо поддается покраске, при этом композиционной материал в сравнении с металлом требует нанесения меньшего количества слоев красящего состава для достижения нужного оттенка RAL. Сочетание этих свойств позволяет значительно снизить стоимость производства и ремонта транспортных средств.

Сооружения водоснабжения и канализации

Большое распространение получил композиционный материал в производстве трубопроводов высокого давления и ливневых коллекторов больших диаметров. Стеклопластиковые трубы удобны в монтаже благодаря своему малому весу, могут прокладываться под автомобильными проездами без дополнительных защитных гильз (они сами могут исполнять функции гильз для других трубопроводов), не подвержены коррозии и не требуют установки станций катодной защиты.

Высокая прочность материала позволяет создавать сооружения большой вместимости при относительно небольших толщинах стенок и добиваться стоимости, сопоставимой со стоимостью традиционной технологии изготовления емкостей из водонепроницаемого железобетона. Учитывая, что композиционный материал более долговечен, не требует ухода и ежегодного ремонта, выбор в его пользу очевиден.

Строительство.

Широкое распространение получило применение стеклопластика в строительстве. В первую очередь материал используется как заменитель некоторых металлических и каменных конструкций. Возможность такой замены определяют прочностные характеристики, декоративные свойства и ценовые показатели материала. В малоэтажном строительстве при заливке фундаментов и бетонных стен применяется стеклопластиковая арматура. В высотном домостроении из композитного материала изготавливают элементы фасадов, лепнины и декоративных украшений. Стеклопластиковый профиль стал хорошей заменой ПВХ при изготовлении дверных и оконных систем. Помимо фундаментов зданий и сооружений стеклопластиковая арматура используется при устройстве автодорог и тротуаров. Если соблюдена технология строительства, дорожное полотно, армированное элементами из композиционных материалов, не растрескивается, не продавливается колесами и не собирается в «гармошку» на перекрестках.

Энергетика.

Благодаря отличным диэлектрическим свойствам в сочетании с прочностью и долговечностью, изделия из композиционного материала нашли применение в энергетической сфере. В первую очередь, это изоляторы, крышки корпусов электротехнического и коммутационного оборудования, элементы высоковольтных пускателей, детали шкафов управления, щитов и ячеек. Из стеклопластика изготавливают строительные конструкции электропомещений, такие как диэлектрические настилы, ограждающие панели и короба, плиты фальшполов, перекрытия кабельных этажей и каналов.

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиастроении наиболее развитых стран началось в 40-х годах прошлого столетия. Впервые стеклопластики раннего поколения были эпизодически использованы для изготовления радиопрозрачных обтекателей для военных самолетов. Затем к концу 60-х - началу 70-х годов применение стеклопластиков на основе тканых наполнителей и эпоксидных смол расширилось не только на изготовление малоответственных деталей, но и на элементы и агрегаты ряда несущих конструкций небольших летательных аппаратов (ЛА) и двигателей.

Например, в легком четырехместном самолете «Уиндер Игл» с полетной массой 1500 кг практически вся конструкция - фюзеляж, крыло и хвостовое оперение выполнены из стеклопластика. Но именно начало эры применения высокоэффективных ПКМ (угле- и боропластиков), а вместе с ними более широкое применение усовершенствованных стекло- и органопластиков авиационные специалисты относят к 1970 г.

Ведущее место среди западноевропейских фирм к началу 80-х годов занимали SEP, SNPE, Dassault Brequet. В конструкции европейских широкофюзеляжных самолетов-аэробусов А-300, А-310, А-320 из ПКМ было изготовлено 5% деталей. Применение ПКМ обеспечило снижение массы самолета А-310 на 1100 кг (рис. 3). Доля ПКМ в самолете А-320 составила 22,5%. Аналогично в пассажирском самолете А-340 из ПКМ были изготовлены закрылки, интерцепторы, воздушные тормозные щитки, оперение, обтекатели и зализы. В то же время следует отметить, что в конце 70-х - начале 80-х гг. корпорация Boeing несколько уступала западноевропейским фирмам и АНТК «Антонов» в объемах применения высокоэффективных ПКМ.

Рис. 4. Применение ПКМ на самолете А-310 :

а - самолет в целом; б - пол; в - киль (УП - углепластик, КП - кевларопластик, СП - стеклопластик)

Несмотря на достигнутые весомые объемы применения ПКМ в транспортных и пассажирских самолетах в районе 20%, а также на высокие показатели экономии массы, жесткости, долговечности, резкого повышения коррозионной стойкости, снижения трудоемкости изготовления, существуют резервы дальнейшего значительного совершенствования этих важнейших характеристик, что и было подтверждено на последующем этапе освоения ПКМ в пассажирском и транспортном самолетостроении.

композит полимерный стеклопластик

2.4 Преимущества и недостатки стеклопластиков перед другими материалами

Стеклопластики обладают рядом преимуществ перед различными конструкционными материалами, что обеспечило их быстрое внедрение, особенно в случаях использования, из-за их уникальных свойств: высокой удельной, статической и ударной прочности в сочетании со светопропусканием (почти не уступающим пропусканию оконного стекла), радиопрозрачностью (способностью почти полностью пропускать волны сантиметрового диапазона), очень высокими электроизоляционными характеристиками; немагнитностью, коррозионной стойкостью.

Специфические свойства стеклопластиков определяются свойствами компонентов, их содержанием в материале, направлением армирования, взаимным расположением различных слоев и т.д. Возможность конструирования материала с заданными характеристиками - одно из основных преимуществ стеклопластиков. Однако при этом возникает такое множество вариантов стеклопластиков с различными свойствами, что их невозможно представить в виде одной таблицы или графика. В таблице приведены характеристики наиболее распространенных конструкционных материалов.

Таблица наглядно демонстрирует преимущества стеклопластиков. Масса 1м² материала толщиной 1мм составляет для стали 7,8кг, а для стеклотекстолита - 1,7 кг. Удельная прочность, зачастую называемая также разрывной длиной и показывающая длину, при которой стержень с постоянным сечением разрывается под действием собственной массы, у однонаправленного стеклопластика значительно выше, чем у остальных материалов. По удельной жесткости, показывающей способность материала сопротивляться изгибу под действием собственной массы, стеклопластики не уступают другим конструкционным материалам. Низкий коэффициент теплопроводности и высокие электроизоляционные характеристики позволяют использовать стеклопластики в таких областях, где другие конструкционные материалы неработоспособны.

Наряду с отмеченными преимуществами стеклопластики имеют и недостатки, которые необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации изделий.

- Структурная неоднородность и недостаточная стабильность технологии изготовления приводят к значительному рассеянию механических, электрических и многих других показателей стеклопластиков, которое достигает 15 - 20% относительно средних значений даже при стандартных кратковременных испытаниях. При длительных испытаниях рассеяние увеличивается. Поэтому при определении работоспособности стеклопластиков в тех или иных условиях нельзя пользоваться средними значениями соответствующих характеристик.

- Полимерная природа связующих обусловливает повышенную чувствительность стеклопластиков к предыстории изготовления и к температурно-временному режиму последующей эксплуатации, который, как и для других твердых материалов, определяет прочностные и деформативные свойства. При умеренных температурах для обычных конструкционных материалов температурно-временная зависимость проявляется слабо. Наличие полимерного связующего, обладающего ярко выраженными реономными свойствами, предопределило невозможность говорить о значениях прочности или деформативности стеклопластиков даже при комнатной температуре без указания времени, в течение которого стеклопластик находился в напряженном состоянии. Так, модуль упругости и особенно прочность стеклопластиков повышаются при увеличении скорости деформирования. Длительная прочность стеклопластика (время испытаний-- 10 000 ч) в зависимости от направления действия нагрузки относительно главных осей симметрии составляет 25 - 70% от значения разрушающего напряжения при кратковременных статических испытаниях. В то же время температурно-временная зависимость механических показателей у стеклопластиков выражена слабее, чем у гомогенных полимерных материалов.

- Направленное размещение стеклянных волокон в плоскости армирования и слоистость структуры в направлении, перпендикулярном этой плоскости, вызывают анизотропию механических, теплофизических и других свойств, вследствие чего значения определяемых характеристик зависят от направления их определения. Так, прочность однонаправленного стеклопластика при растяжении в направлении армирования на порядок выше прочности в перпендикулярном направлении. Как правило, число характеристик, необходимых для описания того или иного свойства стеклопластика, намного больше, чем для изотропных материалов. Даже закономерности поведения стеклопластиков зависят от направления приложения нагрузки. Например, для ориентированных стеклопластиков диаграмма растяжения в направлении армирования с большой точностью следует закону Гука. При нагружении под углом к направлению армирования эта диаграмма становится существенно нелинейной. Слоистость структуры большинства стеклопластиков предопределила их слабое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Поэтому в ряде случаев, например при изгибе, стеклопластик может разрушиться не от того, что нормальные напряжения (растягивающие или сжимающие) достигнут предельных для данного материала значений, а вследствие того, что касательные напряжения превзойдут сопротивление материала межслойному сдвигу. Там, где необходимо повышенное сопротивление стеклопластиков межслойному сдвигу и поперечному отрыву, применяют пространственно сшитые, так называемые «многослойные» армирующие материалы.

- Деформации, возникающие перпендикулярно армирующим подокнам, реализуются в основном в прослойках связующего из-за малой жесткости последнего по сравнению с жесткостью стеклянных волокон, что приводит к образованию трещин в прослойках связующего между волокнами или на границах раздела фаз, даже на ранней стадии нагружения, когда средние напряжения в материале существенно ниже разрушающих. Низкая трещиностойкость характерна для стеклопластиков, особенно ориентированных. Трещины обычно мало сказываются на значениях характеристик, полученных в результате кратковременных стандартных испытаний, однако такие характеристики стеклопластика, как герметичность, сопротивление действию агрессивных сред, механические и электротехнические свойства, при длительных испытаниях при появлении и прорастании трещин, заметно ухудшаются.

- Относительно низкий модуль упругости стеклопластиков приводит к тому, что несущая способность тонкостенных конструкций лимитируется не прочностью, а деформативностью и устойчивостью. Для более полного использования высоких прочностных характеристик стеклопластиков в ряде случаев целесообразно изделия делать трехслойными или ставить ребра жесткости. Там, где это возможно, следует конструировать изделия таким образом, чтобы стеклопластик работал не на сжатие, а на растяжение. Следует отметить, что иногда невысокий модуль упругости является преимуществом стеклопластика. Например, трубопроводы из этого материала могут выполняться без компенсаторов температурных деформаций. Листы из стеклопластика легко огибают криволинейные поверхности небольшого радиуса.



Список использованной литературы

1. Большая энциклопедия нефти и газа/ Получение - стеклопластика (электронный ресурс: http://www.ngpedia.ru), 2016.

2. ООО НПФ «Полипласт»/преимущества и недостатки стеклопластиков перед другими материалами (электронный ресурс: http://poliplast.kharkov.com), 2016.

3. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Л.И. Бондалетова, В.Г. Бондалетов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 118 с.

4. Полимер инфо /Стеклопластик, его свойства и области применения (электронный ресурс: http://polimerinfo.com), 2016.

5. Студопедия/Стеклопластик (электронный ресурс: http://studopedia.ru), 2016.

6. Этапы становления и начала развернутого применения полимерных композиционных материалов в конструкциях пассажирских и транспортных самолетов / д-р техн. наук, проф. Д. С. Кива , 2014 -31 с.

Размещено на Allbest.ru