Справочник по композиционным материалам

Механические свойства материалов *

* Независимые исследования Хаймбуха н Сандерса (фирма «Дженерал мо­торе») показали, что образцы из этих композитов после 10е циклов нагружения сохраняют соответственно 40 и 25 % статической прочности на изгиб. Уровень напряжений, вызывающих усталость материала, выше при растягивающих на­пряжениях.

Возможность применения АП для изготовления полунесущих наружных и облицовочных деталей массово выпускаемых легко­вых автомобилей, например кузовных панелей автомобиля «Кор­вет», надставок крыльев, панелей—обрамлений облицовок радиа­торов, боковин передка кузова, обрамлений окон и брызговиков колес. Кроме того, из листового формовочного материала изготов­ляют слойлеры спортивных автомобилей, панели крыш автофур­гонов для спортивных поездок, а также цельные передние и зад­ние панели автомобилей-домиков (дач). Капоты, склеенные из двух панелей, применяли на спортивных автомобилях в ограни­ченном количестве, достигая определенных конструкционных преимуществ. Для ремонта кузовов автомобилей «Корвет» стали поставлять цельный капот с отформованными вместе с панелью ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Возможность из­готовления с высокой точностью крупных деталей сложной кон­фигурации за одну формовочную операцию с последующей руч­ной зачисткой и окрашиванием на существующих поточных ли­ниях делает АП наиболее выгодным материалом. Термореактив­ную полиэфирную смолу используют в основном как связующее при формовании наружных кузовных панелей, которые затем ок­рашивают в тон окраски металлических деталей.

Армирование термопластов коротким рубленым стекловолок­ном для повышения прочности и других механических свойств позволяет уменьшить толщину деталей и ведет к стабильности размеров деталей (особенно при повышенной температуре), сох­раняя при этом их диэлектрические характеристики и высокую коррозионную стойкость. Эти детали изготовляют литьем под дав­лением и обычно располагают в двигательном отделении под ка­потом. Армируют в основном такие смолы, как полистирол, полипропилен, полиамиды, термопластичные полиэфиры, поли­карбонаты и полиацетали, из которых изготовляют следующие детали: держатели панели приборов и напольные консоли, ко­жухи вентиляторов, накладки крыльев и корпуса-гнезда задних фонарей, омыватель (опрыскиватель) ветрового стекла и детали подъемных механизмов, защелки, дверные ручки, крыльчатки вентиляторов, тормозные резервуары, крышки маслоналивных горловин и корпуса систем зажигания, декоративные вентиля­ционные решетки, держатели щеток стеклоочистителей, ламповые патроны, разъемы, корпуса компьютерных модулей, крышки и роторы распределителей зажигания, корпуса фар; детали топлив­ных электронасосов. Кроме того, из листового полипропилена, армированного стекловолокном, штампуют держатели передней панели кузова, панели пола багажника, ящики для аккумулятор­ных батарей и откидные основания сидений для автомобиля «Корвет».

Длительное время практически все рефрижераторные и мно­гие сухогрузные прицепы облицовывают изнутри панелями из армированных стекловолокном полиэфирных смол. Эти панели могут быть плоскими и гофрированными. Их применяют также для наружной облицовки. Они могут выполнять важную кон­струкционную функцию кузова прицепа. Панели способны про­тивостоять тяжелым условиям износа и ударных нагрузок, за исключением лобовых ударов вилочных автопогрузчиков, и до­пускают очистку горячим паром.

Железнодорожные вагоны-хопперы, предназначенные для пере­возки пищевого зерна и других сыпучих грузов, включая соль и вызывающие коррозию удобрения, комплектуют герметично закрывающимися крышками-люками из АП, отличающимися вы­сокой долговечностью, малой массой (для удобства открывания) и низкой стоимостью. В железнодорожных вагонах применяют (или рассматривают возможность применения) также изготовлен­ные из АП двери, раздвижные перегородки и различные погрузоч­ные приспособления, а также цельнопластиковые хопперы.

Согласно федеральным предписаниям Национального управ­ления по безопасности движения автомобильного транспорта (США) в 1985 г. каждая автомобильная фирма обязана была вы­держивать средний по выпуску автомобилей удельный пробег 11,7 км/л (соответствуют среднему удельному расходу топлива 8,5 л/100 км). Для грузовых автомобилей малой грузоподъем­ности и автофургонов в 1981 г. он составлял 7,3 км/л (13,6 л/100 км). Кроме того, министерство транспорта США требует создания «социально приемлемого» легкового автомобиля, который был бы безопаснее, меньше загрязнял атмосферу, меньше потреблял топлива и был бы удобен в эксплуатации. К 2000 г. поставлена задача увеличить средний по автомобилям каждой фирмы удель - 490 ный пробег до 17 ... 21,3 км/л (т. е. снизить удельный расход топлива до 4,7 ... 5,9 л/100 км), чему должна способствовать по­литика по разработке конструкции рационального автомобиля.

Путь к успешному решению поставленной задачи лежит че­рез уменьшение массы транспортного средства, что требует как уменьшения размеров легковых автомобилей, так и применения в них более легких материалов по сравнению с традиционными. Если предположить, что мощность двигателя будет уменьшаться по мере снижения массы автомобиля при сохранении КПД сило­вой передачи, то для увеличения удельного пробега на 0,43 км/л потребуется облегчить автомобиль на 83 кг. Снижение массы че­рез уменьшение размеров автомобиля на данном этапе служит исходным решением. Одновременно проводятся тщательные ис­следования легких материалов.

Происходит переоценка сталей повышенной прочности (детали из них будут легче), более легких металлов и всех пластиков с со­отнесением массы и физико-механических свойств. Во многих случаях стоимость играет второстепенную роль. По сравнению с 1979 г, предполагалось к 1985 г. снизить количество черных ме­таллов в обычном легковом автомобиле на 25 %, хотя модели 1979 г. уже были сильно уменьшены. В то же время за указанный период количество алюминиевых сплавов и пластиков должно было увеличиться на 60 %. В табл. 26.4 приведены сведения о приме­няемых перспективных материалах по данным фирмы «Питтсбург плейт гласс (Пи-пи-джи) индастриз».

Во многих случаях пластики следует применять в конструк­ционных высоконагруженных деталях, требующих использова­ния АП. Капоты, дверцы и крышки багажников в основном изго­товляют из АП, так как существующая технология и опыт поз­воляют предполагать наличие малой степени риска, если вообще таковой имеется, в случае применения для этих деталей. Приме­ром возможности снижения массы при внедрении АП может слу­жить задний откидной борт автомобиля фургонного типа марки В фирмы «Дженерал моторе», дающий снижение массы на 9 кг. Компоненты ходовой части, такие как опора системы силовой пере­дачи, панели опоры радиатора, детали бампера, рессоры и колеса также дают существенную возможность снижения массы. Такие конструкционные применения требуют использования новых вы­сокопрочных, содержащих большое количество стекловолокна (или его смеси с углеродным волокном) композитов, свойства ко­торых в сравнении с металлом приведены в табл. 26.5 и на рис. 26.1 и 26.2.

При равных жесткости и пределах прочности и текучести при растяжении стальные детали будут весить соответственно в 2,4,8 и 14 раз больше, чем детали из высокопрочного композита марки ХМС при определении параметров в направлении непрерывного армирования стекловолокном. Другими словами, деталь, сформи­рованная из композита ХМС, обладает восьмикратной прочностью