Использование композиционных пластмасс в народном хозяйстве

Полимеры очень редко используют в чистом виде. Почти все они содержат хотя бы один-два процента различных стабилизаторов, красителей, пластификаторов и других добавок. В таком виде эксплуатируются наиболее распространенные синтетические полимеры — термопласты, например полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид.

Современная техника предъявляет самые разнообразные требования к полимерным материалам. Допустим, нужно повысить прочность и жесткость полимера, снизить его стоимость, уменьшить плотность. С каждой из этих задач успешно справляются добавлением в полимер различных наполнителей. Каких именно? Это зависит от конкретных запросов потребителей материала. Например, прочность повышают введением в полимер упругих высокопрочных волокон, а снижения стоимости добиваются, наполняя полимер такими дешевыми продуктами, как речной песок, опилки, цементная пыль. Наполнители необязательно должны быть твердыми. Можно наполнить полимеры газом, тогда мы получим газонаполненные полимеры — пенопласты. Так решается задача резкого снижения плотности полимерных материалов. Много сложнее наполнить полимеры жидкостью, чтобы она была равномерно распределена в виде дисперсных капель, но в литературе можно найти описание методов получения и таких материалов. Материалы, содержащие две или более фазы, именуются композиционными, или просто композитами. Напомним, что латинское compositioозначает составление, сочинение. Если одна из составляющих фаз — полимер, а другие — твердые, жидкие или газообразные вещества, то мы имеем дело с полимерными композиционными материалами (ПКМ).

Не следует думать, что ПКМ — изобретение последних лет. Первые армированные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником, — использовали для строительных целей в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до н.э., из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения полимерных композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона.

Не что иное, как композиционные материалы, представляли собой луки азиатских кочевников (Китай, около 1000 г. до н.э.), изготовленные из древесины и слоев рога. Они были оружием с достаточно большим радиусом действия, наиболее пригодным для стрельбы с колесниц или для конницы. Еще более сложные конструкционные материалы, состоящие из сухожилий животных, древесины и шелка, соединенных с помощью клея, применяли для изготовления своих луков древние монголы.

Таким образом, начало технологии ПКМ уходит в древние времена. Обращая свой взор к нашему веку, отметим, что уже много десятилетий людям известны резина (вулканизованный каучук, наполненный сажей и другими веществами), пенопласты, бакелит (фенолформальдегидные смолы, наполненные текстильными волокнами). Правда, в этих материалах закономерность распределения наполнителя наблюдается не всегда. Поэтому конструкторы современной техники, как правило, называют полимерными композиционными материалами лишь такие, в которых имеются полимерная матрица и закономерное распределение упрочнителей (усиливающих наполнителей), чаще всего волокнистых.

Применение в самолето- и ракетостроении

Стремительное развитие авиационной техники (увеличение скорости, высоты и дальности полетов) заставляет конструкторов предъявлять все более жесткие требования к материалам, предназначенным для использования в самолетостроении. Каковы же эти требования?

Прежде всего, это повышенная механическая прочность и надежность, уменьшение и даже полное исключение вредного влияния вибрации. Материалы должны обладать хорошей устойчивостью к воздействию высоких и низких температур, а также различных атмосферных явлений. Для внутренних конструкций летательных аппаратов чрезвычайно важны негорючесть, химическая инертность, высокая звуко- и теплоизолирующая способность.

Посмотрим, например, насколько важна устойчивость к тепловому воздействию некоторых конструкционные элементов современных самолетов. Известно, что при полете за счет трения о воздух происходит разогрев обшивки самолета. При скорости 2500 км/ч обшивка нагревается до 150 °С. Понятно, что без хорошей полимерной теплоизоляции, которую помещают между двойными стенками корпуса, пассажиры не очень уютно чувствовали бы себя внутри такого самолета.

Оболочки (гондолы), в которые заключен авиационный двигатель, обычно подвергаются еще более жестким термическим воздействиям. Так, участки гондолы, находящиеся в зоне выхлопа, должны выдерживать действие пламени с температурой примерно 1100 °С в течение 15 мин. Высоки и температуры, наблюдаемые на кожухе компрессора (475°С) и в зоне турбины (545 °С).

Для конструирования космических кораблей требуются материалы, которые сохраняют работоспособность в особых условиях космического пространства. В чем же состоит специфичность этих условий? Во-первых, это отсутствие атмосферного давления: на высоте нескольких сотен километров от Земли давление воздуха составляет 10~⁸ —10~⁹ мм рт. ст., а на высоте геостационарной орбиты (около 36000 км) — примерно 10~¹³ мм рт. ст. Столь высокий вакуум приводит к опасности испарения летучих компонентов материалов, разрыва трубопроводов и вентилей в системе