В последние годы наблюдается стремительное развитие термопластичных композиционных материалов с армированием волокном на основе термопластичных смол, вызвавшее во всем мире настоящий бум исследований и разработок таких высокоэффективных композитов. Термопластичные композиционные материалы представляют собой композиты, в которых матрицей служат термопластичные полимеры (такие как полиэтилен (PE), полиамид (PA), полифенилсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI), полиэфиркетонкетон (PEKK) и полиэфирэфиркетон (PEEK)), а армирующим материалом — различные непрерывные/прерывные волокна (например, углеродные, стеклянные, арамидные волокна).

К термопластичным композиционным материалам относятся главным образом грануляты с армированием длинноволокнистыми наполнителями (LFT), препреги с непрерывным армированием волокном (MT) и композиционные материалы с армированием стекловолокном (CMT). В зависимости от требований к применению в качестве матрицы используются термопластичные конструкционные пластмассы PPE, PAPRT, PELPCPES, PEEKPI, PA и др., а в качестве видов армирующих волокон — все возможные виды волокон, включая стекловолокно, арамидные и борные волокна. Благодаря совершенствованию технологий термопластичных композиционных материалов и развитию перерабатывающей промышленности данный вид композиционных материалов развивается быстрыми темпами. В развитых странах Европы и Америки термопластичные композиты составляют уже более 30% от общего объема композиционных материалов на основе полимерных матриц.

Термопластичная матрица

Термопластичная матрица представляет собой термопластичный материал, обладающий высокими механическими свойствами и термостойкостью, который может использоваться для производства различных промышленных изделий. К особенностям термопластичных матриц относятся высокая прочность, высокая термостойкость и хорошая коррозионная стойкость. В настоящее время в аэрокосмической отрасли применяются главным образом термостойкие высокоэффективные смоляные матрицы, включая PEEK, PPS и PEI. При этом аморфный PEI благодаря более низкой температуре и стоимости переработки используется в конструкциях самолетов чаще, чем полукристаллический PPS и PEEK с высокой температурой формования.

Термопластичные смолы обладают лучшими механическими свойствами и химической стойкостью, более высокой рабочей температурой, высоким удельным сопротивлением и твердостью, превосходной вязкостью разрушения и допустимым уровнем повреждений, отличными усталостными характеристиками, возможностью формования сложных геометрических форм и конструкций, регулируемой теплопроводностью, возможностью вторичной переработки, хорошей стабильностью в жестких условиях, возможностью повторного формования, сварки и ремонта.

Композиционные материалы, состоящие из термопластичных смол и армирующих материалов, обладают долговечностью, высокой вязкостью, высокой ударопрочностью и допустимым уровнем повреждений; препреги не требуют хранения при низких температурах, срок хранения неограничен; короткий цикл формования, возможность сварки, высокая производительность, простота ремонта; отходы могут быть переработаны; высокая степень свободы проектирования продукции, возможность изготовления изделий сложной формы, широкая адаптируемость формования и многие другие преимущества.

Армирующий материал

Свойства термопластичных композиционных материалов зависят не только от свойств смолы и армирующих волокон, но и тесно связаны со способом армирования. Существуют три основных способа армирования термопластичных композиционных материалов: армирование короткими волокнами, длинными волокнами и непрерывными волокнами.

Как правило, длина коротких армирующих волокон составляет 0,2-0,6 мм. Поскольку диаметр большинства волокон меньше 70 мкм, короткие волокна выглядят скорее как порошок. Армирование короткими волокнами обычно осуществляется путем смешивания волокон с расплавленным термопластом. Длина и случайная ориентация волокон в матрице обеспечивают относительно простое смачивание. По сравнению с композитами с армированием длинными и непрерывными волокнами, композиты с короткими волокнами наиболее просты в изготовлении, но обеспечивают минимальное улучшение механических свойств. Композиты с короткими волокнами обычно формируются методом формования или экструзии, поскольку короткие волокна оказывают меньшее влияние на текучесть. Длина волокон в композитах с армированием длинными волокнами обычно составляет около 20 мм. Обычно их получают путем пропитки непрерывных волокон смолой с последующей резкой на отрезки определенной длины. Обычно используется технология пултрузии, то есть вытягивание непрерывной пряжи из смеси волокон и термопластичной смолы через специальную форму. В настоящее время структурные свойства длинноволокнистых композитов из PEEK, изготовленных методом аддитивного производства (FDM), могут достигать более 200 МПа, а модуль упругости — более 20 ГПа. При литьевом формовании характеристики будут еще лучше.

В композиционных материалах с непрерывным армированием волокна являются «непрерывными», их длина составляет от нескольких метров до нескольких километров. Композиционные материалы с непрерывным армированием обычно поставляются в виде слоистых панелей, препрегов или тканей, которые образуются путем пропитки непрерывных волокон необходимой термопластичной матрицей.

Каковы особенности армированных волокном композиционных материалов?

Волокнистые композиционные материалы представляют собой композиционные материалы, состоящие из армирующих волокон, таких как стекловолокно, углеродные волокна, арамидные волокна и т. д., и матричного материала, которые формируются методами намотки, прессования или пултрузии. В зависимости от армирующего материала, распространенные волокнистые композиционные материалы включают композиционные материалы с армированием стекловолокном (GFRP), композиционные материалы с армированием углеродным волокном (CFRP) и композиционные материалы с армированием арамидным волокном (AFRP).

Благодаря следующим характеристикам армированных волокном композиционных материалов: высокая удельная прочность, высокий удельный модуль; возможность проектирования свойств материала; высокая коррозионная стойкость и долговечность; коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту теплового расширения бетона. Эти характеристики позволяют материалам FRP удовлетворять требованиям современных конструкций к большим пролетам, высоте, нагрузкам, легковесности, высокой прочности, а также работе в жестких условиях, а также требованиям к индустриализации современного строительства. Поэтому они все шире применяются в различных гражданских сооружениях, мостах, автомобильных дорогах, морских, гидротехнических и подземных сооружениях.

Широкие перспективы развития термопластичных композиционных материалов

Согласно отчету, прогнозируется, что к 2030 году мировой рынок термопластичных композиционных материалов достигнет 62,62 млрд долларов США, а совокупный среднегодовой темп роста в прогнозируемый период составит 7,8%. Этот рост обусловлен растущим спросом на продукцию аэрокосмической и автомобильной отраслей, а также экспоненциальным ростом строительной отрасли. Термопластичные композиционные материалы используются в жилищном строительстве, строительстве инфраструктуры и водоснабжения. Превосходные характеристики, такие как прочность, вязкость, а также возможность вторичной переработки и переплавки, делают термопластичные композиционные материалы идеальным выбором для строительных применений.

Термопластичные композиционные материалы также будут использоваться для производства резервуаров, легких конструкций, оконных рам, столбов, ограждений, труб, панелей и дверей. Автомобильная промышленность является одной из ключевых областей применения. Производители стремятся повысить топливную эффективность, для чего они заменяют металлы и сталь на легкие термопластичные композиционные материалы. Например, углеродное волокно весит в пять раз меньше стали, поэтому оно помогает снизить общий вес автомобиля.

Перспективы термопластичных композиционных материалов огромны, отечественные производители также активно инвестируют в исследования и разработки, и мы надеемся, что в будущем благодаря общим усилиям отечественные технологии композиционных материалов смогут занять ведущие позиции в мире.

Отказ от ответственности: Статья предназначена исключительно для обмена и распространения профессиональных знаний и рыночной информации о композиционных материалах, и не используется в коммерческих целях. В случае сомнений в отношении авторских прав на статью или точности ее содержания, пожалуйста, свяжитесь с нами в первую очередь. Мы незамедлительно примем соответствующие меры.