Композиционный материал и способ его получения
COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Группа изобретений относится к композиционным материалам и способам их получения, включающим смешивание полимерной основы и армирующего волокна, и может быть использована в автомобилестроении, судостроении, авиационно-космической, и других отраслях промышленности.
Известен композиционный материал и способ его получения, включающий смешивание эпоксидной смолы, полиуретана, метилтетрагидрофталевого ангидрида, имидазола и базальтового волокна, и отливку полученной смеси в форму [CN 103242625, дата публикации: 14.08.2013 г., МПК: C08J 5/04].
Известен композиционный материал и способ его получения, включающий смешивание полиуретана с базальтовым волокном и отливку полученной смеси в форму [JP2008008404, дата публикации: 17.01.2008 г., МПК: В29С 45/00, В29С 45/37].
В качестве прототипа выбран композиционный материал и способ его получения, включающий смешивание полиамида и полиуретана с базальтовым волокном и отливку полученной смеси в форму [UA 77599, дата публикации: 15.12.2006 г., МПК: C08K 3/00].
Недостатком прототипа и других известных технических решений является низкий уровень адгезии полимерного материала и базальтовых волокон из-за того, что поверхность существующих и применяемых базальтовых волокон имеет низкую шероховатость, а полимерный материал химически инертен к базальтовому волокну. При этом предел прочности полимерного материала на растяжение существенно выше сдвиговых напряжений на границе полимерного материала и базальтового волокна, вследствие чего, при приложении нагрузки, вызывающей упругое деформирование композиционного материала выше определенного значения, может произойти сдвиг и отделение базальтовых волокон от полимерного материала, что в значительной степени снижает механическую прочность и эксплуатационные характеристики композиционного материала.
Технической проблемой, на решение которой направлена группа изобретений, является повышение эксплуатационных характеристик композиционного материала.
Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, является повышение прочностных свойств композиционного материала.
Сущность группы изобретений заключается в следующем.
Композиционный материал состоит из полимерного материала и базальтового волокна. В отличие от прототипа базальтовое волокно содержит напыление из оксида металла.
Способ изготовления композиционного материала включает смешивание полимерного материала с базальтовым волокном и отливку полученной смеси в форму. В отличие от прототипа перед смешиванием на поверхность базальтового волокна напыляют оксид металла, при этом напыление оксида металла производится газотермическим методом при температуре потока газа от 60 до 500% от температуры плавления оксида напыляемого металла.
Полимерный материал является матрицей изготавливаемого композиционного материала и может быть представлен реактопластами на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол, в частности он может быть представлен литьевым полиуретаном, обладающим оптимальными параметрами вязкости.
Базальтовое волокно является наполнителем изготавливаемого композиционного материала и обеспечивает повышение его прочностных свойств. Масса базальтовых волокон может составлять от 0,1 до 50% от общей массы изготавливаемого композиционного материала.
Базальтовое волокно содержит напыление из оксида металла, представляющее собой случайно ориентированные выступы, имеющие различную высоту и обеспечивающие увеличение значения шероховатости и силы механического трения [сцепления) базальтового волокна с полимерным материалом.
Оксид металла может быть представлен оксидом любого металла, который может быть выбран исходя из требуемых свойств композиционного материала. При этом в качестве оксида металла может быть выбран оксид металла, входящий в состав базальтового волокна, например, оксид кремния, алюминия, железа, титана или магния, что повышает адгезию между базальтовым волокном и напылением, дополнительно увеличивая прочностные свойства композиционного материала.
Напыление оксида металла осуществляется газотермическим методом, путем подачи в поток газа частиц оксида металла и их осаждения на поверхность базальтового волокна для создания микронеровностей.
Высота микронеровностей может находиться в диапазоне от 0,2 до 50 мкм, так как микронеровности ниже 0,2 мкм очень слабо повышают свойства механического трения (сцепления) с полимерным материалом, а микронеровности выше 50 мкм имеют крайне низкую конструкционную прочность и ухудшают технологичность процесса изготовления композиционного материала из-за спутывания частиц базальтового волокна.
Характеристики микронеровностей зависят от размера частиц оксида металла, а также от температуры потока газа, при которой производится их напыление. Высота микронеровностей зависит от размера частиц оксида металла. Размер частиц может составлять от 1 до 50 мкм, при этом, чем больше их размер, тем больше вероятность получения микронеровностей, имеющих большую высоту.
Высота микронеровностей зависит от температуры потока газа. Температура потока газа выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось поверхностное оплавление частиц напыляемого оксида металла, а также минимизация испарения частиц оксида металла. Для этого температура потока газа должна составлять от 60 до 500% от температуры плавления напыляемого оксида металла. При этом в процессе напыления возможно увеличение расхода оксида металла из-за снижения адгезии частиц оксида металла и базальтового волокна, либо из-за испарения частиц оксида металла, имеющих небольшой размер. Таким образом, для снижения расхода напыляемого оксида металла температура потока газа выбирается таким образом, чтобы она составляла от 200 до 300% от температуры плавления напыляемого оксида металла.
Дополнительно для расширения диапазона значений температуры потока газа и повышения эффективности прохождения процесса, напыление оксида металла может быть осуществлено с помощью плазмотрона.
Смешивание полимерного материала с базальтовым волокном обеспечивает возможность получения однородной смеси и механического сцепления микронеровностей на поверхности базальтовых волокон с полимерным материалом. Смешивание может быть произведено с использованием промышленных лопаточных смесителей, мешалок, миксеров и др. При этом для повышения прочностных свойств композиционного материала смешивание полимерного материала и базальтового волокна может быть произведено в вакуумной камере, либо после смешивания компонентов может быть произведено вакуумирование или дегазация полученной смеси.
Дополнительно для повышения износостойкости и механических свойств изготавливаемого композиционного материала при смешивании полимерного материала с базальтовыми волокнами может быть произведено добавление износостойких частиц, которые могут представлять собой карбид титана или карбид кремния, или любое другое соединение из класса оксидов металлов, карбидов или нитридов.
Группа изобретений обладает ранее неизвестными из уровня техники существенными отличительными признаками, заключающимися в том, что базальтовое волокно содержит напыление из оксида металла, при этом напыление оксида металла производится газотермическим методом при температуре потока газа от 60 до 500% от температуры плавления оксида напыляемого металла, что позволяет создавать микронеровности на поверхности базальтового волокна, тем самым увеличивая шероховатость его поверхности, благодаря чему увеличивается коэффициент трения между поверхностью базальтового волокна и полимерным материалом, что обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных свойств композиционного материала, тем самым повышая его эксплуатационные характеристики.
Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Группа изобретений может быть реализована при помощи известных средств, материалов и технологий, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Для иллюстрации достигаемого технического результата приведены примеры осуществления изобретения, которые могут быть любым образом изменены или дополнены, при этом настоящая группа изобретений не ограничивается представленными примерами.
2
2
2
3
2
3
2
2
Для изготовления композиционного материала брали полиуретан типа СКУ ПФЛ - 100 и базальтовое волокно с химическим составом (%) SiO - 49,06; TiO - 1,36; AlO - 15,77; FeO - 5,38; FeO - 6,37; MgO - 6,17; CaO - 8,95; NaO - 3,11; MnO - 2,31, KO - 1,52. Базальтовое волокно брали в количестве, равном 15% от общей массы полиуретана. Компоненты смешивали миксером в емкости при скорости вращения мешалки 250 об/мин в течение 10 мин. После этого производили отливку полученной смеси в пресс-форму, выдерживали композиционный материал до полного затвердевания и, затем производили дополнительную выдержку в печи при 120°С, в течение 24 часов, после чего производили измерение модуля упругости полученного композиционного материала. Для примеров по изобретению перед смешиванием компонентов на поверхность базальтового волокна напыляли оксид различных металлов в виде порошка со средним диаметром зерна 5 мкм. Сравнение ключевых параметров способа изготовления и характеристик композиционного материала приведены в Таблице 1.
Пример 1.
Порошок оксида железа FeO, содержащегося в составе базальтового волокна, напыляли путем подачи в струю ацетиленовой горелки при температуре 1700°С, благодаря чему на поверхности базальтового волокна образовывались микронеровности высотой 0,8-1,2 мкм. Полученный композиционный материал имел модуль упругости 2,4 ГПа.
Пример 2.
Порошок оксида меди CuO, не содержащегося в составе базальтового волокна, напыляли путем подачи в струю ацетиленовой горелки при температуре 1900°С, благодаря чему на поверхности базальтового волокна образовывались микронеровности высотой 0,8-1,2 мкм. Полученный композиционный материал имел модуль упругости 3,0 ГПа.
Пример 3.
2
3
Порошок оксида железа FeO, содержащегося в составе базальтового волокна, напыляли путем подачи в струю ацетиленовой горелки при температуре 1900°С, благодаря чему на поверхности базальтового волокна образовывались микронеровности высотой 1,2-2,4 мкм. Полученный композиционный материал имел модуль упругости 3,7 ГПа.
Пример 4.
2
Порошок оксида кремния SiO, содержащегося в составе базальтового волокна, напыляли путем подачи в струю плазмотрона при температуре 3500°С, благодаря чему на поверхности базальтового волокна образовывались микронеровности высотой 2,4-3,2 мкм. Полученный композиционный материал имел модуль упругости 5,1 ГПа.
Пример 5.
2
3
Порошок оксида алюминия AlO, содержащегося в составе базальтового волокна, напыляли путем подачи в струю плазмотрона при температуре 5000°С, благодаря чему на поверхности базальтового волокна образовывались микронеровности высотой 3,2-4,0 мкм. Полученный композиционный материал имел модуль упругости 6,3 ГПа.
Пример 6.
Порошок оксида магния MgO, содержащегося в составе базальтового волокна, напыляли путем подачи в струю плазмотрона при температуре 7000°С, благодаря чему на поверхности базальтового волокна образовывались микронеровности высотой 4,0-4,5 мкм. Полученный композиционный материал имел модуль упругости 6,8 ГПа.
Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных свойств композиционного материала, тем самым повышаются эксплуатационные характеристики композиционного материала.