Качество поверхности при обработке композитов

Качество поверхности играет исключительно важную роль в обес­печении высоких эксплуатационных показателей изделий. Внешним воздействиям, в первую очередь, подвергаются поверхности изделий, при этом износ трущихся поверхностей, зарождение трещин и другие процессы протекают на поверхности изделия и в некотором прилегаю­щем слое. Качество поверхности - это совокупность всех служебных свойств поверхностного слоя материала.

Качество обработанной поверхности любых материалов характе­ризуется большим количеством различных параметров, которые можно разделить на две группы: физико-химические и геометрические пара­метры, причем в зависимости от свойств материала и методов обработ­ки наиболее существенное влияние на эксплуатационные характери­стики изделий оказывают те или иные из них.

В процессе изготовления и эксплуатации изделия на его поверхно­сти возникают неровности: в слое материала, прилегающем к ней, из­меняются структура, химический состав. Неровности на поверхности, структура и химический состав поверхностного слоя изменяют физико-химические и эксплуатационные свойства изделий. Поверхностный слой оказывает существенное влияние на многие эксплуатационные свойства изделий: прочность, трение и износ, диэлектрические показа­тели, влагопоглощение и т.д. Для композитов, обладающих специфиче­скими свойствами, в первую очередь, из-за своей структуры, анизотроп­ности, наличия армирующих элементов, механическая обработка порой весьма существенно изменяет свойства их поверхностного слоя, а сле­довательно, и эксплуатационные показатели.

При механической обработке композитов происходит нарушение целостности поверхностного слоя как за счет снятия имеющегося на поверхности отформованного изделия слоя полимеризованного свя­зующего, выполняющего защитную функцию от воздействия внешних факторов (например, влаги), так и за счет перерезания армирующих волокон.

Перерезание армирующих волокон при обработке резанием и такие процессы, как деструкция полимера, приводят к снижению прочности изделий, причем это снижение достигает порой существенных величин (до 20%). Этот вопрос имеет важное значение для обеспечения тре­буемых эксплуатационных характеристик, так как прочность в ряде слу­чаев является основным эксплуатационным требованием, например, для оболочек из ВКПМ, находящихся под внутренним давлением. Сни­жение прочности при обработке резанием сказывается и при изготовле­нии специальных образцов для исследования физико-механических ха­рактеристик изделий.

Перерезание армирующих волокон и снятие поверхностного слоя полимеризованного связующего интенсифицирует процесс водопоглощения материала. Характерной особенностью композитов является их склонность к поглощению влаги, что приводит, в свою очередь, к изме­нению размеров изделий и снижению их физико-механических характе­ристик. Это в итоге влияет на эксплуатационные показатели. Установ­лено, что после механической обработки, особенно если обработку производят с применением СОЖ, водопоглощение материала резко увеличивается, что вызывает порой необходимость для обеспечения требуемых эксплуатационных показателей вводить дополнительную операцию сушки изделий после обработки.

При обработке резанием композитов за счет больших контактных площадок на задней поверхности инструмента и действия высоких тем­ператур в зоне резания неизбежно происходит механо- итермодеструк­ция полимерного связующего, а в таких материалах, как органопластики, где наполнителем также является полимер, - и полимерного наполни­теля. Наличие нарушенного слоя на поверхности обработанного изде­лия изменяет его эксплуатационные показатели, в частности сопротив­ление истиранию, изменяют диэлектрические показатели материала.

Влияние механической обработки на показатели качества поверх­ности изделий из композитов носит комплексный характер. Например, шероховатость поверхности влияет как на водопоглощение и прочност­ные характеристики, так и на другие показатели качества (износостой­кость, аэродинамические характеристики и т.д.).

Водопоглощение композитов

Одним из специфических свойств композитов как конструкционных материалов является их склонность к водопоглощению, что приводит, в свою очередь, к изменению их физико-механических свойств, а порой к изменению размеров и формы готовых изделий. Водопоглощение зави­сит от многих факторов: видов полимерного связующего и волокнистого наполнителя, степени наполнения, формы, размера и взаимного распо­ложения частиц наполнителя, технологии изготовления, длительности увлажнения, состояния поверхности, остаточных напряжений.

Наиболее склонными к водопоглощению являются стеклопластики. Вода проникает в материал вследствие нарушения его структурной сплошности за счет имеющихся дефектов, к числу которых следует от­нести: микропоры, трещины, капилляры, полости, дефекты на границе раздела фаз. Микроскопический анализ показывает, что волокна окру­жены воздушными полостями и включениями, мелкие включения со­единены между собой и образуют непрерывные пути на поверхности раздела. Влага легко мигрирует по системе этих включений.

Таким образом, водопоглощение происходит путем заполнения дефектов материала, в результате чего происходит растрескивание связующего в местах концентрации остаточных напряжений, ослабле­ние адсорбционного воздействия на границе волокно-смола, а значит, и прочности материала. Возникающие трещины перпендикулярны оси волокна, что приводит к уменьшению эффективной длины волокна, а следовательно, и снижению его прочности. Наблюдаются трещины и вдоль поверхности раздела волокно-полимер, что ослабляет связь во­локна со связующим и ухудшает физико-механические свойства мате­риала.

Механическая обработка изделий из композитов интенсифицирует процесс водопоглощения. Это происходит за счет того, что при обра­ботке, во-первых, снимается всегда имеющийся на поверхности слой полимеризованного связующего, являющийся как бы защитным слоем, во-вторых, перерезаются армирующие волокна наполнителя, при этом образуются микротрещины и другие дефекты материала, нарушающие его сплошность. Если же при обработке применяют СОЖ, то процесс водопоглощения ускоряется еще больше.