Боропластик: способ получения, свойства, применение

Боропластики содержат в качестве упрочняющего (армирующего) наполнителя борные волокнистые материалы. Наполнитель применяют в виде мононити (диаметр 90-200 мкм, модуль упругости 380-420 ГПа), жгутов из нескольких таких нитей, оплетенных вспомогательной стеклянной или органической нитью, а также тканей и лент, в которых борные нити или жгуты переплетены другими нитями. Связующими в боропластиках служат эпоксидные смолы, полиимиды или другие полимеры, главным образом термореактивные.

Получение боропластиков

Процессы получения боропластиков и стеклопластиков примерно аналогичны. Из-за большого диаметра борных мононитей (80-100 мкм) и их высокой хрупкости они не выдерживают перегибов, поэтому нитепроводящие детали не должны иметь высокой кривизны. Изделия изготовляют методами послойной выкладки, намотки с последующим формованием в автоклавах под давлением до 1,6 МПа при температуре до 200°С (эпоксидные смолы) или до 300°С (полиимидные смолы) [3].

Для повышения адгезии к связующим волокна перед применением подвергают травлению азотной кислотой, что существенно повышает прочность композита при сдвиге и ударную вязкость. Последняя может быть увеличена путем введения в связующее коротких неорганических волокон или игольчатых кристаллов.

Для сохранения высоких механических свойств борных нитей в изделиях они не должны иметь резких перегибов (допустимый радиус изгиба не менее 300 мм). Термостойкость и хемостойкость боропластиков определяются в основном соответствующими показателями связующих. Их высокая стойкость к действию активных сред, эксплуатационных воздействий (влаги, смазочных материалов), атмосферных факторов в течение 10 лет снижается не более чем на 10-15%.

В последнее время большинство борных волокон для ВКМ выпускаются в виде непрерывных лент или матов, пропитанных эдоксидным связующим. В связи с этим широко обсуждается вопрос получения препрегов и методов их переработки.

Препреги (англ. pre-preg, сокр. от pre-impregnated — предварительно пропитанный) — это композиционные материалы-полуфабрикаты. Готовый для переработки продукт предварительной пропитки связующим упрочняющих материалов тканой или нетканой структуры. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими [4]. Непрерывные бороэпоксидные препреги изготовляют в виде лент или листов. Борные волокна, ориентированные строго вдоль оси препрегов, занимают обычно около 50 % объема лент. Плотность укладки как правило составляет 80 моноволокон на 1 см. Массовая доля связующего составляет 30-35 %. Пропитанные ленты перекладываются слоями тонких стеклянных холстов (толщина 0,03 мм). Такой холст не только предохраняет от боковых слипаний во время выкладки, но, что более важно, позволяет сохранять положение и параллельность борных волокон при создании волокнистых КМ.

Формирование препрега начинается с размещения паковок борного волокна на шпулярнике. Фирма «Авко» предложила процесс, по которому формуются узкие ленты шириной 3,2 или 6,4 мм, пропитываются и наматываются. После этого методом параллельной укладки формируются ленты шириной 77 или 152 мм. При необходимости в одну стадию может быть изготовлена лента препрега, сформированная со шпулярника с 600 и 1200 гнездами.

Существуют два метода нанесения связующего на волокна.

1. Непосредственное нанесение связующего при пропускании волокна через пропитывающие валки («плюсование»). На волокно наносится либо расплав связующего, либо раствор при пониженной температуре. В последнем случае включается еще процесс удаления растворителя.

2. Перенос связующего со специальной бумаги на волокна после раскладчика. Такая система требует превентивного или одновременного приготовления пленки связующего [2].

Бороэпоксидные маты создают методом параллельной укладки исходных лент шириной 152 мм. Выкладка происходит на заранее подготовленный холст шириной 1220 мм.

Свойства боропластикиков с органическими связующими

Большинство структур из бороволокон, используемых при создании композитов, имеют вид лент и матов различной ширины. Наиболее часто для создания препрегов с борными волокнами используются эпоксидные связующие. Формование панелей и профилей производят методом автоклавного прессования при избыточном давлении 345- 586 Па. Частичное снижение прочности и жесткости материала происходит за счет ухудшения свойств самого волокна и нарушения ориентации волокна в слоях. Несмотря на то, что в эпоксиборопластиках может быть применена любая ориентация слоев, наиболее часто используемой является композиция с ориентацией армирующей компоненты 0, ±45, 90°.

Следующие данные механических испытаний и данные, используемые при конструкторских расчетах, относятся к бороэпоксидным смолам в боропластиках. Расчетные данные использованы при создании композитов с ориентацией 0, ±45, 90°. Основным источником данных является сборник подготовленный для ВВС США фирмой «Роквелл интернэшанл» [3].

Конструкционные свойства бороэпоксидиых слоев представлены КМ, состоящими из боровольфрамовых волокон диаметром 100 мкм с объемной долей 50 % и эпоксидной матрицы и предназначенными для эксплуатации при температуре 177 °С, при толщине слоя 0,132 мм. Значения, физико-механических показателей для боропластиков диаметром 140 мкм должны быть выделены отдельно. Номинальная толщина слоев в этом случае равна 0,178 мкм. Боропластики являются высокопрочными, высокомодульными композитами. В основном они изготовляются как однонаправленные материалы.

В таблицах 4.1 и 4.2 собраны данные по прочностным, упругим и некоторым другим физическим характеристикам однонаправленных боропластиков с коэффициентом наполнения волокнами V_B = 0,5.

Таблица 4.1 – Основные свойства однонаправленных (0°) борэпоксидных слоистых пластиков [3]

Таблица 4.2 – Свойства боропластиков [3]

Применение боропластиков

Эпоксидные боропластики используются в основном при температуре 177°С, которая наиболее часто встречается при применении КМ в самолетостроении, либо при 121 °С, характерной для низкотемпературных применений этих материалов. В состав некоторых связующих вводят специальные консерванты, чтобы эти связующие могли быть достаточно долго жизнеспособны при комнатной температуре. Бороэпоксидные препреги могут храниться при —18 °С в течение нескольких лет без потери свойств.

В изделия боропластики перерабатывают послойной выкладкой или (и) намоткой пропитанного связующим наполнителя (препрега) на станках-автоматах с программным управлением и последующим формованием в автоклавах при давлениях до 1,6 МПа и температурах до 300°С. Из-за большой хрупкости и твердости борных нитей радиус их перегиба в изделии не должен превышать 50 мм, а механическая обработка изделий возможна только с применением алмазного инструмента.

Боропластики применяются главным образом в авиационной и космической технике как конструкционные материалы с высокими удельными механическими характеристиками для изготовления высоконагруженных деталей в наиболее ответственных изделиях, а так же для снижения их массы, например панелей стабилизаторов, поверхностей управления. Боропластики позволяют существенно снизить массу изделия (на 20-40%).

Из-за высокой стоимости производства борных волокон боропластики весьма дороги, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.