Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты

• Название: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
• Анкор: Целая.doc
• Дата: 30.10.2017
• Размер: 32.33 Mb.
• Имя файла: Целая.doc
• Тип: Учебник; #9974
• страница: 6 из 30

Замасливатели для стеклянного волокна. Поверхность стеклян-
ных волокон в процессе вытягивания покрывают замасливателем для
защиты волокон от разрушения при их трении друг о друга и о де-
тали перерабатывающего оборудования, а также для склеивания их
в нить. Замасливатели, предназначенные только для защиты повер-
хности волокон и склеивания их в нить, называются текстильными.

Замасливатели, в состав которых входят адгезионно-гидрофоб-
ные вещества, способствующие созданию прочной связи на границе
раздела стеклянное волокно-связующее, называют прямыми. Для
гидрофобно-адгезионной модификации поверхности стеклянных
тканей иногда производят их термохимическую обработку, состоя-
щую в удалении текстильного замасливателя и последующей про-
питке волокон водными растворами кремнийорганических соеди-
нений - аппретов. Следует отметить, что при термохимической об-
работке прочность тканей существенно снижается, поэтому для стек-
лопластиков следует по возможности использовать армирующие материалы, выработанные с применением прямых замасливателей.

Основным текстильным замасливателем является парафиновая
эмульсия (ПЭ), в состав которой входят следующие вещества (в %)

-парафин (ГОСТ 784-53) 1.6 ± 0,1;

-стеарин или синтетические жирные кислоты

(ГОСТ 6484 64) 0,6...0,1;

-вазелин медицинский (ГОСТ 3582-52) или
ветеринарный (ГОСТ 13037-67) 2,0 ± 0,1;

-трансформаторное масло (ГОСТ 982-68)

ГОСТ 10121 -62 или ТУ 38-239- 69) 2,0 ± 0,1;

-закрепитель ДЦУСТУ 6-4-187-67 2,0...2,5;

-эмульгатор - препарат ОС-20 (ГОСТ 10730-64) 125 ± 0;

-вода с жесткостью не более! мг экв/л до 100.

Стеклянные нити. Стеклянные нити (некрученые и крученые)

представляют собой комплексные нити, состоящие из непрерывных
элементарных волокон, склеенных между собой замасливателем.

Некрученые нити и крученые марок НС-108-Р и НС-216 -Р выра-
батываются из стекла алюмоборосиликатного состава. Крученые нити
кремнеземные типа КН-11 вырабатываются из стекла алюмобороси-
ликатного состава с помощью специальной химической обработки:
содержание кремнезема в волокне доводится до 94 %.

Ровинг. Ровинг (жгут) представляет собой некрученую прядь,
состоящую из равномерно натянутых комплексных нитей, намотан-
ную крестовой намоткой в бухты массой до 10 кг, высотой 268 мм. с
внутренним диаметром 60 мм и наибольшим наружным диаметром
200 мм В зависимости от назначения ровинг. используемый для арми-
рования стеклопластиков, вырабатывается двух основных видов:

-рассыпающийся, предназначенный для рубки на короткие от-
резки нитей: поставляется в бухтах без гильз;

-намоточный, предназначенный для изготовления стеклопласти-
ковых изделий методами намотки и протяжки, а также для наполне-
ния термопластов; поставляется в бухтах на картонных гильзах.

Стеклянные ткани и сетки. Стеклянные ткани вырабатываются
из крученых комплексных нитей или ровинга и различаются соста-
вом стекла, плотностью, массой 1_ видом замасливателя, видом
переплетения нитей и другими параметрами. Сетки отличаются от
тканей разреженностью структуры.

Ткани из крученых комплексных нитей предназначаются для конструкционных стеклопластиков, а из ровинга - для изготовле­ния стеклопластиковых изделий методами контактного формования или пропитки в вакууме под давлением. Ткани получают плотным переплетением из ровинга на основе алюмоборосиликатного стек­ла с диаметром элементарных нитей 10 мкм.

Многослойные ткани вырабатываются из крученых комплекс­ных нитей трехмерным переплетением. Предназначены для изготов­ления методами пропитки в вакууме или под давлением стеклоплас­тиков, отличающихся повышенным сопротивлением межслойному сдвигу и расслаиванию. Диаметр элементарной нити 9 мкм.

Стеклянные сетки предназначены для армирования стеклопластиков.
4.1.4. СВОЙСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

Механические свойства. Стеклопластики, в зависимости от структуры и расположения армирующих материалов, в большин­стве случаев анизотропны, т. е. механические свойства их изменя­ются в зависимости от направления действия нагрузки.

Прочность при растяжении ориентированных стеклопластиков определяется прежде всего количеством и прочностью армирующе­го материала, адгезионной и когезионной прочностью связующего, его модулем упругости и относительным удлинением. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении стеклопластика от со­держания волокна приведена на рис. 13.

Абсолютные значения разрушающего напряжения однонаправ­ленных стеклопластиков на основе алюмоборосиликатного волок­на достигают 1 600... 1 800 МПа, а на основе волокна из стекла ВМ- 1 могут составлять 2 000...2 200 МПа. Содержание стекла в неориен­тированных стеклопластиках обычно не более 50 вес. %, причем повышение прочности с ростом количества волокон не так заметно. Влияние адгезии связующего к стеклянным волокнам на прочность стеклопластика представлено на рис. 14.

Когезионная прочность связующего, его модуль упругости и эластичности, а также относительное удлинение оказывают решаю­щее влияние на монолитность системы связующее - стеклянные во­локна. Для обеспечения монолитности стеклопластика, армирован­ного алюмоборосиликатными волокнами, необходимо, чтобы свя­зующее имело прочность при растяжении 120...150 МПа, модуль упругости 4 500...5 000 МПа, а относительное удлинение 4...5 %.



Рис. 13. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении ориен-тированных стеклопластиков от содер-жания стеклянного волокна.
Рис. 14. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении ориен­тированных стеклопластиков от адгезии связующих к стеклянным волокнам.

Прочность при сжатии в меньшей степени, чем при растяжении, зависит от прочности и количества стеклянных волокон, в то время как увеличение диаметра и модуля упругости волокон приводит к значительному увеличению разрушающего напряжения стеклопла­стика при сжатии. Очень велико влияние адгезионной прочности связующего, значение которой, для обеспечения монолитности стек­лопластика, должно составлять 80... 100 МПа.

Прочность при изгибе стеклопластиков зависит как от диамет­ров волокон, влияющих на прочность при сжатии, так и от факто­ров, определяющих прочность при растяжении. Для неориентиро­ванных стеклопластиков значение разрушающего напряжения при изгибе является средним между значениями, характеризующими прочность материала при растяжении и сжатии. Ориентированные стеклопластики имеют прочность при изгибе, близкую к прочности при растяжении при условии, что разрушение происходит от нор­мальных, а не касательных напряжений, так как ориентированные стеклопластики слабо сопротивляются сдвигу.

Модуль упругости ориентированных стеклопластиков в направ­лении армирования не зависит от диаметра волокна и определяется в первую очередь содержанием стеклянного волокна, ориентирован­ного в направлении деформирования. Ползучесть ориентированных стеклопластиков в направлениях армирования невелика и снижение модуля упругости на базе 10 часов составляет 10... 15 %. Ползучесть ортотропных стеклопластиков под углом 45° к направлениям армирова­ния при растяжении, изгибе и сжатии хорошо описывается зависимостью

_,

где е - относительная деформация; с - напряжение, меньше 0,6а_р; Е₄₅ - модуль упругости под углом 45°; С - константа, равная

0,3; _ - продолжительность действия нагрузки, мин.; _ = 1 мин; n = 0,2.

Влияние температуры на модуль упругости полиэфирного ортотропного стеклопластика показана на рис. 15.

Теплофизические свойства. Показатели теплофизических свойств стеклопластиков (по направлению основы ткани), полученные на различных связующих, приведены в табл. 5.

Оптические свойства. Стекло-пластики способны пропускать до 90 % лучей ви­димой части солнечного спек­тра при условии максимальной близости показателей прелом­ления связующего и стеклянно­го волокна, а также прозрач­ности этих компонентов. Наибольшее распространение получили све­топропускающие стеклопластики на основе полиэфирных смол и алюмоборосиликатного стеклянного волокна.

Атмосферостойкость стеклопластиков определяется их способ­ностью выдерживать действие различных атмосферных факторов (солнечная радиация, кислород воздуха, тепло, влага, промышлен­ные газы и т. д.) в течение определенного времени без значительно­го изменения внешнего вида и физико-механических свойств. Изме­нение прочностных свойств стеклопластиков в процессе хранения в атмосферных условиях выражается зависимостью



где _<τ₀ и _- соответственно прочность до и после хранения;

В - параметр, зависящий от структуры стеклопластика и климатической зоны хранения; τ - продолжительность хранения; τ₀ = 0,1 года.

Таблица 5

Теплофизические свойства стеклопластиков с различными связующими

связующие	ρ, кг/м3	Ср, дж/(кг·К)	λ, Вт/(м·К)	a, м2/с	ɑ, 1\К
фенол-формальдегидное	1,77·103		102,0	5,5	8·10-6
то же, модифицированное винифлексом	1,80·103	1,01	127,5	8,10	8·10-6
Епоксифенольное	1,73·103	1,09	125,7	7,51	6·10-6
Анилино-формальдегидное	1,80·103		113,1		18·10-6
Кремнийорганический	1,74·103				7·10-6
Полиэфирокрилатное	1,71·103	1,59	167,6	5,90	3,5·10-6

Обозначения: р - плотность, С- удельная теплоемкость, λ - коэфициент теплопроводности, а- коэффициент температуропроводнности ɑ - коэффициент термического расширения.

Опыт показывает, что механические свойства полиэфирных стек­лопластиков толщиной более 3 мм после 5 лет хранения в различ­ных климатических зонах изменяются незначительно (на 5...7 %), однако их поверхность После хранения более года теряет товарный вид. Происходит растрескивание и шелушение связующего наруж­ного слоя, стеклянное волокно выступает на поверхность. Для пре­дотвращения старения наружного слоя изделий из полиэфирных стеклопластиков в связующее этого слоя вводят ультрафиолетовые поглотители. Наружную поверхность фенольных и эпоксидных стеклопластиков защищают тонким слоем эпоксидной смолы (50... 75 мкм), окрашенной в черный цвет.

Химическая стойкость стеклопластиков определяется следующи­ми факторами, приведенными в порядке их значимости:

- химическая стойкость связующего;

- степень приближения структуры стеклопластика к стабильной;

- отсутствие пористости;

- химическая стойкость армирующего материала.

Химически стойким в данной среде при данной температуре можно

считать такое связующее, прочность которого при изгибе снижается не более, чем на 20 % после месячной выдержки в этой среде. Относительное удлинение связующего должно быть больше, чем для стеклянного волокна, иначе под действием силовых факторов в процессе изготовле­ния, монтажа и эксплуатации связующее растрескивается, и изделие бы­стро выходит из строя в результате коррозии стеклопластика.

Высокую химическую стойкость в сочетании с достаточными механическими показателями обеспечивает многослойная структура стеклопластика, состоящая из защитного слоя, содержащего 90...95 вес. % связующего, второго химически стойкого слоя, с содержанием связующего 70...75 %, конструкционного слоя и наружного слоя, ана­логичного первому. Полиэфирные связующие в защитных слоях ар­мируют штапельными стеклянными матами с массой 1 м², равной 40...60 г, эпоксидные связующие могут быть не армированными.

Для химически стойких слоев кислотостойких стеклопластиков целесообразно применять алюмоборосиликатные стекла типа 7-А и щелочные типа ЩС. Химическая стойкость изделий из стеклоплас­тиков в значительной степени зависит от плотности пластиков и наличия трещин и пор в них.

Хранение полиэфирных стеклопластиков в пресной и морской воде в течение 5 лет вызывает снижение разрушающего напряжения при растяжении на 10... 13 % , при сжатии - на 10... 15 %, при изгибе - на 15...17 %; модуля упругости - на 6...10 %.

Механические свойства стеклопластиков после выдержки их в воде до 1 года и последующего высушивания практически полнос­тью восстанавливаются.

Несущие конструкции из стеклопластиков, по сравнению с ме­таллическими из высокопрочных металлов, имеют ряд преимуществ:

- меньшая трудоемкость изготовления;

- более короткий цикл изготовления;

- низкая стоимость изделий;

- высокая удельная прочность;

- регулируемая анизотропия свойств материала;

отсутствие требований высокой квалификации персонала.

Теоретическая прочность стеклянных волокон составляет 1000...

1400 кгс/мм² (10 000...14 000 МПа), а для плавленого кварца -

2500 кгс/мм² (25 000 МПа). Снижение прочности против теорети­ческой объясняется наличием трещин на поверхности волокон и мик­родефектов структуры.

Сейчас наиболее прочные волокна - на основе магний- алюмосиликатного стекла: 500...600 кгс/мм² (5000...000 МПа) при плотности р = 500...3000 кг/м³. В настоящее время применяются вы­сокомодульные стекла типа ВМС и высокопрочные - типа ВМП.

Для намотки корпусов РДТТ используются жгуты (ровинги), при­чем на них достигается прочность на 10 % выше, чем на основе крученых нитей. Это объясняется тем, что в ровингах волокна параллельны между собой, а в нити - они скручены. Чаще всего намоточные изделия получа­ют «мокрым» способом, хотя можно применять и «сухой», но он не на­шел широкого распространения, особенно для эпоксидных связующих.

Основным недостатком стеклопластиковых конструкций является то, что не все дефекты, допущенные при изготовлении, поддаются ремонту [5,10].
4.2. ОРГАНОПЛАСТИКИ

4.2.1. СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА
В настоящее время создано очень много синтетических волокон, в том числе на основе полипропилена, полистирола, полиимидов, полиамидов, гидроцеллюлозы и т. п. Многие из них применяются для производства нитей, из которых изготовляются бытовые и тех­нические ткани. Количество синтетических материалов превосхо­дит количество естественных, таких как шерсть, лен, конопля и т. п.

В твердотопливных двигателях нашли применение высокопроч­ные полиимидные и полиамидные волокна. Благодаря низкой плот­ности и высокой прочности названные волокна обладают большой удельной прочностью, превосходящей подобную для всех известных пластиков, металлов и сплавов, уступая по модулю упругости лишь углеродным и борным волокнам. Среди полиамидных волокон особо выделяются так называемые арамидные. Они обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью и модулем упругости, не­значительной ползучестью, термостабильностью, хорошими диэлект­рическими свойствами и, главное, усталостной прочностью.

Все органические волокна хорошо поддаются текстильной пере­работке, сохраняя при этом не менее 90 % исходной прочности. Они сохраняют ее и в процессе получения полиамидных пластиков пу­тем намотки и прессования со связующим из органических смол (эпоксидных, феноло-формальдегидных и других).

Амиды - это производные кислот, у которых группа - ОН заме­щена на аминогруппу - NH₂. Рассмотрим, например, серную кислоту HSO3OH (H₂S0₄). Если группу ОН заменить па аминогруппу, то получим сульфаминовую кислоту H0S0₂NH₂.

Арамиды - это ароматические соединения у которых группа - ОН замещена на аминогруппу.



Полимерные цепи могут быть очень длинными, ниже приведе­на формула ароматической цепи:



Амидные волокна выпускаются под названиями капролон, нейлон (алифатический ряд) и фенилон (ароматический ряд), в США под маркой номекс [9].

Полиамиды - циклоцепные гетероциклические полимеры с общей формулой



содержащие в основной цепи макромолекулы циклическую имидную группу



R - радикалы линейного или циклического строения. Наибольшее прак­тическое применение получили ароматические линейные полиимиды.

Получают органические волокна путем вытягивания из раство­ров или из расплавов через тонкие отверстия в сосудах (лодочках) с последующей намоткой на барабаны или шпули со скоростью не менее 60 км/час.

В табл. 6 приведены механические свойства некоторых отече­ственных и зарубежных органических волокон (1ГПа = 10⁴ кгс/см² = 10² кгс/мм²). Наиболее перспективными являются органические во­локна типа СВМ: армос и терлон.

Таблица 6