Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
|
Физические свойства углеродных волокон
Обозначения: ρ – плотность; Тсубл –температура cублемации; Sуд. –удельная поверхносгь; Г - гигроскопичность; Ср - удельная теплоемкость; а - коэффициент термического расширения; λ - теплопроводность; ρэ - омическое сопротивление; tg а - тангенс угла диэлектрических потерь. Угольные волокна имеют более низкую поверхностную энергию, чем стеклянные и органические, поэтому хуже смачиваются полимерными связующими, а полимерные композиционные материалы на их основе характеризуются пониженным напряжением сдвига. 5* Величину адгезии матрицы и УВ повышают путем удаления замас- ливателя после текстильной переработки, аппретированием, нанесением мономеров, травлением поверхности окислителями. По характеристикам тепло- и электропроводности графитиро- ванные волокна приближаются к металлам, карбонизованные волокна относятся к полупроводникам (табл. 20). Угольное волокно, как и компактные углеродные материалы, обладает исключительно высокой теплостойкостью и термостойкостью, но низкой стойкостью к окислению. С целью защиты от окисления на волокна наносят карбиды, оксиды, нитриды и пироуглерод (ОКГ5). В теплонапряженных узлах ракетной техники используются углеродные волокна, в основном, с покрытием из пироуглерода. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. По химическим свойствам У В близки к объемным углеродным материалам. При повышенных температурах (около 620 К) они подвержены воздействию азотной и серной кислот, а также К2Сг2О7 и воды. При этом волокна, полученные из ГЦ-В, химически более стойки, чем волокна из ПАН-В, обработанные при одинаковых температурах. ПЕРЕРАБОТКА. Схема переработки, как указывалось выше, состоит в предварительном изготовлении вискозных форм с последующей их карбонизацией и графитацией. Иногда, при необходимости, удобно получать углеродные нити из готовых целлюлозных тканых материалов, например трикотажных полотен, прошедших термообработку, путем их роспуска. Так получают нить для последующего плетения углеродно-металлических лент или сеток, необходимых для создания углеметаллопластиков. Кроме способа получения углеродно-металлических гибридных тканей, лент, сеток, жгутов разработаны многие другие - для производства таких материалов на основе углеродных, органических, стеклянных и металлических нитей и волокон в различных сочетаниях. Например, волокна типа Кевлар (арамидное органическое волокно с высокой прочностью, но с более низким модулем упругости, чем УВ) сочетаются с углеродными волокнами в каком-нибудь материале для намотки (лента, жгут) или наносятся полностью по определенной программе. На основе углеродных и комбинированных волокон, лент созданы, например, корпуса твердотопливных ракет США «Трайдент-1», «Трай- дент-2», сопловые блоки РДТТ, обтекатели ракет-носителей и т. п. При изготовлении полимерных композиционных материалов и изделий из углеродных волокон применяются примерно те же технологические процессы, что и при переработке стеклянных и органических волокон. Как видно из табл. 21, в приведенных полимерных пластиках далеко не полностью использованы прочностные характеристики моноволокон, но удельная прочность ПКМ все же значительно выше, чем стали и алюминия.
Таблица 21 Свойства некоторых ПКМ с волокнистыми наполнителями
Обозначения: ρ - плотность; σв - прочность при растяжении; Е - модуль упругости; σуд - удельная прочность. К сожалению, конструкторы и технологи еще не научились так проектировать изделия из волокнистых композиционных материалов, чтобы максимально использовать высокие прочностные свойства элементарных волокон. 6.6. УГЛЕПЛАСТИКИ Углепластиками называются композиционные материалы, у которых матрицей является отвержденное полимерное связующее, а наполнителем - углеродные волокна в форме нитей, жгутов, лент, тканей. Производятся они по типу стеклопластиков и других армированных полимерных материалов. В ракетной технике применяются в качестве теплозащитных покрытий, изоляционных материалов или несущих (силовых) конструкций. Так, в РДТТ они используются как материал тепловой защиты выходного раструба в сочетании с металлом или силовым пластиком, выходного воротника, а иногда даже вкладыша критического сечения сопла, например, на ускорителях ракеты-носителя «Шаттл». Применяются углепластики и для других теплонагруженных деталей твердотопливного двигателя. Как будет показано далее, применение углепластиков стало первой и самой ранней стадией использования углеродных материалов в ракетной технике после графита, который обладает главными недостатками - хрупкостью и низкими твердостью и эрозионной стойкостью. Так как при создании теплозащитных материалов стремятся к максимальной реализации их энтальпийных характеристик, в качестве связующих применяют фенольные, феноло-формальдегидные и феноло-фурфуроловые смолы, которые дают наибольший выход кокса или, как выражаются специалисты ракетной техники, обладают наибольшим коксовым числом (90...95 %).  где К - коксовое число;  - масса кокса;  - масса пластика.В США такие углепластики называются углеродно-фенольными. В последние годы, в связи с ужесточением условий работы головных частей на «пассивном» участке траектории, на ракетах «Трайдент-1», и «Трайдент-2», «МХ» применяется материал TWCP, который представляет собой фенольный углепластик. Такая же тенденция имеет место и в отечественной ракетной технике. Углепластики формуются непосредственно на защищаемых ими узлах или изготавливаются по нужной форме, а затем наклеиваются на наружную часть узла, или на внутреннюю - если это раструб. Когда силовой оболочкой раструба служит стеклопластик или другой пластик, последний наматывается на готовый углепластик. В зависимости от назначения изделий применяются различные методы формования:
6.6.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКОВ Подготовка оснастки. В общем случае пуансон и матрица пресс- формы или оправка тщательно очищаются от остатков смолы, загрязнений и т. п. Затем на них наносится специальная смазка ЦИА- ТИМ-221 или другая теплостойкая смазка в два слоя: первый слой сушится при температуре цеха на воздухе в течение одного часа, второй - при температуре 100 °С в течение двух часов. Если углепластик наносится как ТЗП на какую-нибудь деталь, то последняя подвергается опескоструиванию с помощью кварцевого песка. Эта операция выполняется на специально оборудованном участке, который, как правило, обслуживает все цехи машиностроительного завода. После опескоструивания деталь обезжиривается бензином и сушится в течение 10... 15 мин. Пропитка материала смолой. Производится на специальных пропиточных машинах непрерывного действия или вручную. Перед пропиткой ткани или ленты просушиваются при температуре 120... 150 °С до получения содержания влаги в них 1,5 % (ОСТ 09-3 - 78). Просушенные материалы хранятся в полиэтиленовых или полихлорвиниловых пакетах, без упаковки - в печи при температуре 40...60 °С. Вязкость связующего при пропитке по стандартному вискозиметру ВЗ - 4 составляет 40...60 с. Измерение ее с помощью названного прибора в соответствии с ГОСТ 9070-75 заключается в следующем:  1-чашечка 2-смола в чашечку вискозиметра (рис. 44) наливается жидкость до необходимого уровня, при этом отверстие закрывают пальцем. Затем открывают отверстие, одновременно включают секундомер и останавливают его после прекращения вытекания жидкости сплошной струей. Чем больше время вытекания, тем больше вязкость жидкости. Вязкость смолы уменьшают путем добавления растворителя (спирт, ацетон), если вязкость выше нормы и наоборот, доливают неразбавленную смолу, если вязкость низкая. Машина для механизированной пропитки включает в себя пропиточное устройство и вертикальную теплоизолированную шахту, в которой производится подсушка ткани или ленты (рис. 45).  Рис. 45. Схема пропиточноймашины: I-металлическая шахта с теплоизоляцией; 2-направляющие ролики; 3 - электронагреватели (ТЭН); 4 - ванна со смолой; 5 - первичная бобина или барабан; 6 - бобина или барабан для намотки пропитанной ткани или ленты Шахта разбита по высоте как бы на три температурные зоны: 1- температура 20...40 °С - находится внизу; 2- температура 40...60 °С - находится в центральной части шахты; 3- максимальная температура 80 °С - находится в верхней части шахты. Нужно отметить, что при пропитке строго выдерживается заданная скорость движения ткани или ленты и температура по зонам. Пропитанные материалы нельзя перегреть, так как при этом произойдет частичное или полное отверждение смолы. Обычно пропитанные материалы не должны послойно слипаться при хранении. Пропитанные и просушенные материалы хранятся в рулонах, бобинах или катушках в полиэтиленовых мешках в прохладном месте зимой и в специальных холодильных камерах летом. 6.6.1.1. МЕТОД ПРЯМОГО ПРЕССОВАНИЯ Рассмотрим метод прямого прессования. Связующим при изготовлении углепластиков являются феноло-формальДегидные или феноло-фурфурольные (фурановые) смолы. Феноло-формальдегид- ная смола имеет старую маркировку - ФН, новую - ЛБС-4. Здесь можно применить две разновидности формования. 1. Формование в пресс-форме под прессом по схеме, показанной на рис. 46. Кратко технология состоит в том, что раскроенные заготовки углеродной ткани, пропитанной в смоле ЛБС-4 определенной величиной наноса, укладываются в пресс-форму. Заготовки могут быть заранее пропитаны смолой и укладываются в полусухом виде (до отлипания) или пропитываются непосредственно перед укладкой. В процессе выкладки производится предварительная подпрессовка заготовок в пресс-форме с помощью пуансона 2. Затем подается удельное давление от 4 до 15 МПа и, по величине общей площади нагружения, рассчитывается усилие пресса. Производится нагрев пресс-формы электрическими нагревателями сопротивления, заделанными в тело пресс- формы, или индукторами. Частота индуктора тем меньше, чем больше размеры пресс-формы, что видно из эмпирической формулы:  где  - удельное электросопротивление, Ом ·м; d - диаметр пресс- формы, см.На практике для нагрева крупных пресс-форм используют токи промышленной частоты, т. е. 50 Гц. Сначала температура материала доводится до 80 °С (353 К), при этом делается выдержка примерно в течение одного - двух часов, при которой происходит удаление воды и других летучих компонентов смолы. В это же время материал дает сильную усадку, поэтому давление пресса корректируется и поддерживается постоянным до достижения максимальной температуры, при которой производится поликонденсация (отверждение) связующего. Отверждение производится при температуре (155 ± 5) °С из расчета один час на 8 мм толщины материала, но не менее двух часов. При этом поддерживается необходимое давление (14... 15 МПа). После отверждения производится плавное охлаждение пресс-формы, сначала за счет уменьшения электрической нагрузки, а по достижению 80°С (353 К), электропитание выключается и происходит естественное охлаждение. Затем производится разборка холодной пресс-формы, извлечение изделия, подрезка до нужных размеров, неразрушающий контроль качества материала; определяется содержание смолы, степень отверждения ее, механические и теплофизические характеристики, плотность, производятся другие виды контроля. 2. В некоторых случаях можно производить запрессовку материала в пресс-форму без применения пресса, путем затягивания болтов (рис. 47). Количество болтов и их размеры рассчитываются исходя из обеспечения необходимых показателей давления и прочности.  Рис. 46. Прямое прессование под прессом: I- подвижный пуансон пресса; 2 - сменный пуансон пресс-формы; 3 - матрица пресс-формы; 4 - прессуемый материал; 5 - нагреватель индукционный или омического сопротивления (ТЭН); 6 - основание пресса Рис. 47. Беспрессовое формование: I - пуансон пресс-формы; 2 - прессуемый материал; 3 - стягивающие болты: 4 - матрица пресс-формы Выкладка материала осуществляется как и в первом случае, т. е. при прессовании под прессом. Подпрессовку можно осуществлять пуансоном 1 с помощью затяжки болтов. Отверждение материала производится в электрических печах сопротивления или в аэродинамических. Использование метода удобно тем, что можно отверждать в одной печи сразу несколько пресс-форм. Так как аэродинамические печи появились недавно (впервые - в бывшем СССР), о них еще мало говорится в литературе и, поэтому, на принципиальном устройстве их необходимо остановиться. В основу работы их положен закон возрастания коэффициента внутреннего трения в газе с повышением температуры, т. е. закон Ньютона:  где ц - коэффициент внутреннего трения, кг/(м с) или Н с/м2; m - масса молекулы, кг; n - количество молекул в единице объема (число Лошмидта), 1/м3; ū- средняя скорость хаотического движения молекул, м; X - длина свободного пробега молекул, м; λ – длина свободного пробега молекул, м. Скорость молекулы в зависимости от температуры изменяется по закону:  откуда  где к - постоянная Больцмана, кДж/К; Т - абсолютная температура газа, К. При движении тела в газе между слоями последнего создается касательное напряжение  где dv/dz - градиент скорости направленного или вынужденного движения молекул, 1/с. Известно, что при трении выделяется тепло, это же будет происходить и в атмосфере печи. Таким образом, если вращать вентилятор в замкнутом объеме, то газ, находящийся там, будет нагреваться.  Схема аэродинамической печи показана на рис. 48. История появления этих печей анекдотична: пирометристка выключила электронагреватели сопротивления, забыв выключить вентилятор, который перемешивал воздух в печи. За ночь печь нагрелась так, что сгорел и отверждаемый узел и вентилятор. Как видим, в аэродинамических печах лопасть вентилятора одновременно нагревает и перемешивает воздух. Коэффициент полезного действия аэродинамических печей примерно в четыре раза выше, чем печей сопротивления. В принципе ее нетрудно сделать на любом предприятии. Максимальная допустимая температура в таких печах примерно 600 °С (875 К). Опыт эксплуатации аэродинамических печей необходимо широко распространять, особенно в условиях недостатка энергоносителей. 6.6.1.2. МЕТОД НАМОТКИ Этот метод применяется, например, при изготовлении теплозащитного покрытия раструба РДТТ. Предварительно пропитанные лаком ЛБС-4 ленты наматываются на жесткую оправку на специальных станках с программным управлением, как показано на рис. 49. Жесткая оправка служит для придания формы изделию и устанавливается на специальный намоточный станок. Шпулярник служит для установки бобин с лентой, к нему относятся и натяжные ролики. В процессе намотки оправка вращается вокруг своей оси и одновременно совершает поступательное движение вместе с суппортом станка с регулируемой по программе скоростью. Скорость вращения составляет от одного до нескольких оборотов в минуту и зависит от величины изделия. Иногда суппорт станка является неподвижным, а перемещается шпулярник, но это часто приводит к изменению натяжения ленты и другим неудобствам, вызывающим частые остановки процесса намотки. Это объясняется малой массой шпулярника и плохой устойчивостью его. Кроме «сухой» применяется еще и так называемая «мокрая» намотка. Чаще всего она используется при намотке силовых конструкций жгутом или лентой и на эпоксидных связующих. Схема намотки показана на рис. 50 (вид сбоку). В принципе «мокрая» намотка похожа на «сухую», но все дальнейшие операции после каждой из них отличаются очень сильно. После «сухой» намотки производится отверждение материала в гидроклавах под избыточным давлением. Автоклав отличается от гидроклава тем, что в качестве рабочего тела используется сухой воздух или азот. Они менее безопасны, но «чище» в работе. Перед отверждением производится сборка оправки, как показано на рис. 51. Назначение отдельных элементов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||