Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
|
ГЛАВА 4. ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛАСТИКИ 4.1. СТЕКЛОПЛАСТИКИ Стеклопластики представляют собой конструкционные композиционные материалы, сочетающие высокие механические свойства с относительно небольшой плотностью. Основными их компонентами являются стекловолокнистые армирующие материалы и синтетические связующие. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жесткость стеклопластика. Связующее придает материалу монолитность, способствует эффективному использованию прочности стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при его работе под нагрузкой. Кроме того, связующие придают материалу способность формироваться в изделия различных конфигураций и размеров. Стеклопластики используются во многих областях техники и народного хозяйства. Широкое применение они нашли в авиационной промышленности и ракетно-космической технике, где используются их высокая удельная прочность, стойкость к кратковременному действию высоких температур, к вибрационным нагрузкам и локальный характер поражения. 4.1.1 МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ Стеклопластики и изделия из них изготавливаются различными методами. Простейший из них - метод контактного формования - состоит в том, что на форму, изготовленную из гипса, слоистого пластика, листового металла или другого материала, покрытую антиадгезивом (водно-спиртовой раствор поливинилового спирта или суспензия воска в бензине, иногда применяют целлофановые пленки), наносят тонкий первый декоративный слой связующего. Чаще всего это насыщенная полиэфирная смола с добавками инициатора и ускорителя. После желеобразования декоративного слоя на него наносят связующее, поверх которого укладывают слои стекловолокнистого армирующего материала. Для лучшего проникновения в него связующего материал прикатывают гладкими или ребристыми валками. Затем наносят последующие слои связующего и армирующего материала до получения необходимой толщины. После формования изделия производят отверждение связующего при комнатной температуре в течение 10...24 ч. и более, в зависимости от используемого связующего, или в термокамерах при 120... 130 °С для ускорения процесса. В соответствии со способом отверждения в связующее вводят различные инициирующие добавки, отвердители и ускорители. Готовые изделия снимают с формы и подвергают незначительной механической обработке (зачистке заусенец и др.). Достоинством контактного способа является простота технологии и оснастки; крупными недостатками - низкая производительность, невысокие прочностные свойства изделий, большая трудоемкость, а также вредность производства. Модификацией контактного формования, позволяющей ускорить процесс изготовления изделий, является метод одновременного напыления на форму связующего и отрезков стеклянных нитей специальным пистолетом - распылителем. Этот метод отличается высокой степенью механизации. Напыление производится с помощью передвижной установки, состоящей из режущего устройства для стекловолокна, вентилятора, распылителя и емкости для связующего и растворителя. Стекловолокно непрерывно сматывается с бобин и режется на отрезки длиной от 10 до 90 мм, которые подаются потоком воздуха к распылителю. Последний имеет три сопла: центральное - для подачи стекловолокна и два боковых - для подачи смеси связующего с инициатором и смеси связующего с ускорителем отверждения. Смешение компонентов происходит на поверхности формы или перед ней в воздухе. Установка комплектуется отдельными емкостями для смеси связующего с инициатором, для смеси связующего с ускорителем отверждения и для растворителя (обычно ацетона), который служит для очистки магистралей подачи связующего. Нанесенная композиция отверждается на форме. Контактным формованием и напылением обычно изготавливают небольшие партии изделий сложной геометрической формы и несколько пониженной прочности. Изделия сложной конфигурации изготавливают и в закрытых формах путем пропитки связующим в вакууме и под давлением заранее уложенного армирующего материала с последующим отверждением смолы. Использование этого метода исключает выделение в воздух токсичных продуктов, но требует значительно более сложных аппаратурного оформления и оснастки, чем методы контактного формования и напыления. Изделия в форме тел вращения изготавливают методом намотки пропитанного связующим стекловолокнистого армирующего материала на вращающиеся неразборные и разборные оправки с последующим отверждением изделия и извлечением оправки. Так изготавливают изделия цилиндрической и конической формы: отсеки топливных баков, контейнеров, головные части, трубы большого диаметра и др. Наибольшее распространение при изготовлении стеклопластиковых корпусов двигателей, раструбов сопел и других узлов РДТТ получили методы намотки. Они позволяют осуществить автоматизированное управление процессом изготовления высокопрочных изделий с ориентацией армирующего материала в направлениях главных напряжений. Тканевая намотка (рис. 11) дает возможность получать стеклотекстолитовую герметичную структуру на корпусах РДТТ с пределом конструктивной прочности 0,4...0,6 ГПа. Оборудование для производства стеклотекстолитовых корпусов позволяет производить окружную или спиральную намотку ткани (предварительно пропитанной связующим) на оправку. Окружная намотка производится одновременно двумя слоями, параллельными полосами от рулонов через валки. Опорные (прокатные) валки, имеющие вмонтированные в них нагревательные устройства, при контакте с тканью размягчают связующее. Спиральная намотка осуществляется сматыванием ткани с рулонов, расположенных под углом к оси оправки. При достижении каретками крайнего положения производится перекладка ткани посредством вильчатого механизма. Размягчение связующего и прокатка с целью уплотнения слоев ткани производится так же, как и при окружной намотке. Для присоединения к стеклотекстолитовым корпусам днищ или переходных фланцев на торцевых концах намоткой образуются утолщения, на которых после отверждения (полимеризации) нарезается ленточная резьба.  Рис. 11. Тканевая намотка стеклопластиков: а- косая намотка на конус; б- косая намотка на цилиндр; в- продольно-поперечная намотка на цилиндр; 1 - оправка; 2 - шпулярник; 3 - нитеукладчик Продольно-поперечная намотка (ППН) цилиндрических и слабоконических корпусов. Исходя из известного соотношения между напряжениями в кольцевом сечении и в сечении вдоль образующей, равного 1:2, намотка слоев на оправку при рассматриваемом способе производится в следующей последовательности; на два слоя окружных лент наносится один слой продольных лент (вдоль образующей). Полное соответствие ориентации и количества стеклолент при ППН направлениям и величинам действующих в оболочке напряжений, а также предельно плотная укладка стеклолент, позволяют реализовать самую высокую прочность (8 ГПа и более в тангенциальных направлениях и более 0,5 ГПа - в осевом) по сравнению с оболочками, полученными другими способами намотки. ППН осуществляется следующим образом: вертлюг, по окружности которого размещены бобины продольных слоев, вращаясь синхронно с оправкой, перемещается вдоль ее оси. Сматываемые при этом с бобин продольные ленты обматываются и притягиваются к поверхности оправки кольцевыми слоями лент с бобин, установленных на каретке по обе стороны от вертлюга, обеспечивая соотношение продольных и поперечных слоев 1:2. Плавление связующего, содержащегося в ленте, производится нагревателями, расположенными на кольцевых элементах, охватывающих оправку в месте примотки продольных лент кольцевыми. Намотка корпусов заодно с днищами способом ППН существенно усложняет технологический процесс. Поэтому обычно такие корпуса выполняют без днищ, но с утолщениями по обоим торцам. После завершения намотки, полимеризации и снятия корпуса с оправки, утолщенные концы подвергаются механической обработке для подготовки мест соединения с металлическими днищами. Спиральная намотка (СПН) позволяет изготавливать корпус РДТТ заодно с днищами. Это наиболее распространенный и наиболее эффективный способ намотки, позволяющий получать корпуса, силовые оболочки раструбов сопел и оболочки с днищами самых разнообразных форм: цилиндрических, конических, тороидальных и др. Некоторое отклонение ориентации стеклолент от линий главных напряжений оболочки и меньшая, чем при ППН, плотность структуры композиции, являются причинами более низкой прочности в оболочках, изготовленных спиральной намоткой, по сравнению с оболочками, изготовленными способом ППН, на 10... 15 %. Предел конструктивной прочности на разрыв в тангенциальном направлении СПН-оболочек около 0,85 ГПа. Однако возможности изготовления непрерывной намоткой корпусов заодно с днищами делают СПН весьма эффективной, в особенности при изготовлении корпусов средней длины и коротких (при отношениях длины корпуса к его диаметру меньше трех). Применение автоматизированных станков с программным управлением, производящих укладку лент по заданной траектории с высокой точностью и контролирующих натяжение лент, позволяет получать изделия со стабильно воспроизводимыми физико-механическими свойствами и геометрией, обеспечивает высокую надежность при низких запасах прочности. При спиральной намотке «мокрым» способом стеклонити пропускаются через ванночку со связующим, систему роликов, регулирующих натяжение в стеклоленте и снимающих избыток связующего, и поступают на оправку. Намотка по геодезическим линиям и спирали производится изменением скорости вращения оправки и продольного перемещения каретки. При достижении конца оправки шток гидроцилиндра выдвигается по заданной программе и укладывает ленту на поверхность оправки, формирующей днище. Процесс намотки продолжается до тех пор, пока не будет образована стенка оболочки с требуемым количеством слоев ленты. При проектировании необходимо знать еще некоторые конструктивно-технологические особенности изготовления стеклопластиковых корпусов РДТТ, существенно влияющие на уровень прочностных характеристик и их стабильную воспроизводимость. На рис. 12 приведена технологическая схема «мокрой» спиральной намотки.  Рис. 12. Технологическая схема «мокрой» спиральной намотки: 1- направляющие ролики; 2- отжимные ролики; 3- нагреватель; 4- шпулярник; 5- ванна со смолой; 6- регулятор натяжения; 7- оправка Остаточное содержание связующего в композиции при спиральной и продольно-поперечной намотке должно составлять 30...40 %. При содержании смолы, превышающем оптимальное количество, имеет место снижение прочности, а при содержании меньше оптимума возникает трудность сохранения монолитной формы. Основной задачей связующей матрицы является соединение армирующих волокон в единую (монолитную) структуру, равномерное распределение усилий между волокнами и максимальное обеспечение их совместной работы до начала разрушения. Значительную часть изделий из стеклопластиков получают методами прямого литьевого прессования с использованием металлических обогреваемых пресс-форм. В пресс-формы загружают отдельно армирующий материал и связующее или пропитанные прессовочные материалы - препреги. Листовые стеклопластики изготавливают на многоковочных гидравлических прессах с обогреваемыми плитами. Препреги - это стеклоткани, стеклоленты или жгуты, предварительно пропитанные смолой и просушенные. Широкое распространение получили непрерывные методы изготовления погонажных изделий из стеклопластиков - труб, профилей, плоских «и гофрированных листов, рулонных материалов. 4.1.2 СВЯЗУЮЩИЕ Связующие для стеклопластиков получают на основе различных органических или элементоорганических смол. В состав связующих, помимо синтетических смол и их смесей, могут входить активные или пассивные растворители, инициирующие системы, отвердители и ускорители отверждения, красящие вещества, минеральные и органические наполнители, светостабилизаторы и другие добавки. В качестве связующих применяют главным образом полиэфиры, эпоксиды, полиамиды, феноло-формальдегидные и кремнийорганические полимеры, а также их модификации (эпоксифенольные, эпоксиполиэфирные, феноло-фурфурольные и др.). В качестве связующих стеклонаполненных термопластов используют линейные термопластичные полимеры. Полиэфирные связующие на основе ненасыщенных полиэфирных смол ПН-1, ПНМ-2, ПН-8, ПНМ-8 нашли широкое применение для изготовления светопропускающих и окрашенных листовых и рулонных стеклопластиков. Для изделий с повышенной химической стойкостью применяют связующие на основе полиэфирных смол ПН- 6, ПН-10, ПН-15. Для получения препрегов целесообразно использовать связующие на основе полиэфирных смол с повышенной вязкостью: НПС - вод.22М, ЗСП - 3, ЗСП - 4. Они содержат незначительное количество (до 4 %) летучих мономеров, что обеспечивает нормальные условия труда при производстве стеклопластиковых изделий методами контактного формования, прессования и намотки. Стеклопластики на основе связующих ПН-1С, ПН-6, ПН-62 и ПН-63 относят к трудновоспламеняющимся материалам. Полиэфирные связующие способны отверждаться при комнатной и повышенной температурах без выделения летучих продуктов. Формование полиэфирных стеклопластиков производят без давления или при минимальном давлении. При использовании связующих на основе ненасыщенных полиэфирных смол следует иметь ввиду, что их отверждение сопровождается значительным саморазогревом (до 200 °С) и объемной усадкой (до 15 %). Адгезия полиэфирных связующих к стеклянному волокну ниже, чем у эпоксидных и модифицированных фенольных связующих. Относительное удлинение некоторых полиэфирных смол (ПН-6, ПН-10, ЗН) довольно низкое и составляет 1 %, что требует их модификации, которая, как правило, снижает теплостойкость и химическую стойкость связующего. Эпоксидные связующие отличаются высокой смачивающей способностью и адгезией к стеклянному волокну, достаточным относительным удлинением и малой усадкой. При их использовании получают наиболее прочные стеклопластики. Широкое применение связующих на основе эпоксидных смол ограничено их недостаточной теплостойкостью, высокими вязкостью и стоимостью, поэтому при производстве стеклопластиков чаще используют эпоксидные компаунды, в состав которых, помимо эпоксидных, входят смолы других типов. Основным видом эпоксидных смол, применяемых в качестве компонента связующего для стеклопластиков, являются диановые. Однако в последнее время начали использовать циклоалифатические смолы, обладающие повышенными термостойкостью, трекингостойкостью и физико-механическими показателями. Феноло-формальдегидные связующие, применяемые в виде спиртовых растворов, водных эмульсий и порошков, используют в производстве стеклопластиков, листовых, рулонных и рулонированных стеклопластиков строительного назначения и стекловолокнистых пресс-материалов. Для получения высокопрочных конструкционных стеклопластиков феноло-формальдегидные смолы модифицируют поливинилбути- ралем, анилином и другими модификаторами. Для отверждения феноло-формальдегидных связующих необходимы повышенная температура (150... 160 °С) и значительное давление, которое зависит от конфигурации изделия, требований к его характеристикам и марки смолы. Адгезия модифицированных феноло-формальдегидных связующих к стеклянному волокну несколько выше, чем у полиэфирных, но значительно ниже, чем у эпоксидных. Кремнийорганические связующие характеризуются, как правило, значительно более высокой теплостойкостью по сравнению с другими полимерными связующими. Стеклопластики на их основе способны длительно работать при 300...400 °С. Однако механические свойства кремнийорганических стеклопластиков ниже, чем у стеклопластиков на основе полиэфирных, фенольных и особенно эпоксидных связующих. Длительный цикл отверждения и высокая стоимость также ограничивают область их применения. Они используются для изготовления изделий специального назначения, например, радиопрозрачных, так как не коксуются. Кремнийорганические связующие часто модифицируют эпоксидными смолами, ацеталями, однако при этом несколько снижается теплостойкость связующего и стеклопластика на его основе. Кремнийорганические смолы устойчивы к действию органичес- ких растворителей, минеральных масел, но не к действию аромати- ческих и хлорированных растворителей. Красящие вещества подразделяют на красители и пигменты. Для окрашивания стеклопластиков используют в основном пигменты органического и минерального происхождения. Наполнители вводят в связующее для снижения их усадки, терми- ческого коэффициента линейного расширения, температуры само- разогрева при отверждении, хрупкости, а также для повышения вяз- кости, электропроводности, температуры стеклования и температу- ры начала деструкции. 4.1.3. СТЕКЛОВОЛОКНИСТЫЕ АРМИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ Стеклянные волокна. По химическому составу стекла, из кото- рых получают волокна, делятся на две большие группы: бесщелочные и щелочные. Бесщелочные содержат не более 1...2 % оксидов щелоч- ных металлов и характеризуются очень высоким электрическим со- противлением. Щелочные стекла содержат до 15 % оксидов щелоч- ных металлов, их электрическое сопротивление намного меньше, а с повышением температуры снижается еще больше. Непрерывное стек- лянное волокно получают из алюмоборосиликатных стекол, а шта- пельное волокно воздушного вытягивания - из бесщелочных. Сначала на стеклянных заводах получают стеклянные шарики, диаметром 10...20 мм. закаленные в воде. Закалка производится с це- лью исключения кристаллизации. В таком виде шарики могут храниться в течение длительного времени и даже отправляться на заводы стеклово- локна, если там они не изготавливаются. В нужный момент они расп- лавляются в платиновых лодочках с отверстиями - фильерами, из ко- торых производится вытягивание или струйное истечение стекла для получения волокна. Обычно лодочка имеет в основании примерно 200 фильер, диаметром от 2 до 40 мкм. Выходя из фильер, непрерывные волокна соединяются в прядь (первичную нить) и наматываются на съемные бобины. Скорость движения волокон около 60...65 км/час. Стеклянные волокна при соприкосновении могут повреждаться за счет микродефектов на их поверхности. Чтобы этого избежать, волок- на покрываются тонкими слоями замасливателя, в качестве которого могут выступать крахмал, кремнийорганические и металлооргаии- ческие соединения, минеральные масла (силиконы) и др. Защищая волокна от разрушения, замасливатели к тому же во многих случа- ях повышают адгезию на границе связующее - волокно. Непрерывное стеклянное волокно получают утонением струйки расплавленной стекломассы механическим вытягиванием. Известны двустадийный и одностадийный способы выработки такого волокна. Из непрерывного стеклянного волокна изготавливают следую- щие армирующие материалы для стеклопластиков: -нити и волокна однонаправленные; -нити комплексные некрученые и крученые; -ровницы и ровинги (жгуты); - сетки, ткани и ленты; -нетканные рулонные материалы. Штапельное стеклянное волокно используется при производстве стеклопластиков в виде тонкого стеклянного мата, получаемого из расплавленной стекломассы вертикальным вытягиванием и разду- вом. Стекломасса в виде струй диаметром 2...3 мкм вытекает из фи- льерных питателей, а затем струя раздувается паром или воздухом. Короткие волокна, диаметром до 20 мкм. попадают в камеру осаж- дения, в которой на них форсунками наносится связующее, и оседа- ют на ленте приемно - формующего конвейера, где производится сушка волокна, уплотнение его в мат и отверждение связующего. |