Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
|
Механические свойства органических волокон
Обозначения: ρ- плотность; Е- модульупругости; σв- прочность при растяжении; е - относительное удлинение. Ароматические высокомодульные и высокопрочные полиамидные и полиимидные волокна получают из растворов их ароматических соединений в амидных растворителях, содержащих хлористый литий, путем вытягивания через тонкие отверстия. Вместо амидных растворителей могут применяться концентрированные (98... 100 %) серная, фтористоводородная или метансульфоновая кислота, также содержащие хлористый литий. Линейные полиамидные и полиимидные волокна типа СВМ получают из расплавов. Имея низкую плотность, арамидные волокна по удельным показателям и работоспособности превосходят все остальные органические волокна. Они обладают повышенной огнестойкостью и теплостойкостью, могут перерабатываться в любые текстильные формы, не теряя прочности, в отличие от стеклянных и углеродных волокон [11]. 4.2.2. ДРУГИЕ ИСКУССТВЕННЫЕ ВОЛОКНА В настоящее время существуют так называемые кремнеземные и кремнеалюминиевые нити, нити на основе титаната калия, оксидов металлов и т. п. Особый класс представляют усы и нитевидные волокна, в том числе графита, оксидов кремния, алюминия, бериллия и магния, карбидов кремния и бора, нитридов, тугоплавких металлов. Керамические волокна получают путем формования их из вискозных растворов, содержащих растворимые в щелочи керамические структурообразования, с последующим обжигом. Усы и волокна представляют собой нитевидные кристаллы, получаемые с использованием различных методов их выращивания. Они являются самой прочной формой из всех известных разновидностей твердого тела. Появились в начале 50-х годов нашего столетия и применяются как наполнители дисперсноупрочненных и волокнистых КМ. Конечно, эти кристаллы еще не нашли такого широкого применения как непрерывные волокна. Очевидно, они займут достойное место уже в 21 веке. Таблица 7 Физико-механические свойства некоторых нитевидных волокон
Обозначения: ρ- плотность; σв- прочность при растяжении; Е - модуль упругости; Т,ш - температура плавления. Как видно из табл. 7, самую высокую прочность имеют нитевидные волокна из оксида алюминия, а самый высокий модуль упругости - графит, последний при самой низкой плотности и самой высокой температуре плавления (теоретической). 4.2.3. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА Развитие ракетной и других видов техники привело к необходимости разработки новых армирующих материалов, которые могли бы повысить уровень несущей способности силовых конструкций и, прежде всего, корпусов твердотопливных двигателей. К таким перспективным материалам относятся искусственные органические волокна, обладающие прочностью на разрыв выше 3 000 МПа (300 кгс/мм2) и модулем упругости примерно равным 105 МПа при сравнительно небольшой плотности р = 1 500 кг/м3. Общим и основным условием получения сверхпрочных волокон является наличие волокнообразующих полимеров с достаточно высокой молекулярной массой и устойчивой ориентацией структурных элементов. Растворы таких полимеров при истечении из отверстий- фильер сохраняют достаточно высокую степень ориентации молекул и форму волокна, которые в последующей вытяжке и термообработке могут закрепиться. Высокая степень ориентации, которая достигается при формовании, и сопутствующая ей высокая гомогенность структуры обеспечивают сверхвысокую прочность и высокий модуль упругости волокон. В промышленности наиболее разработаны и освоены методы получения волокон из предельно жесткоцепных полимеров, ведущее положение здесь занимают ароматические полиамиды. Процесс получения волокна состоит из двух стадий: синтеза волокнообразующих полиамидов и формования волокон. Синтез полиамидов представляет собой низкотемпературную поликонденсацию хлорангидридов ароматических дикарбоновых кислот и ароматических диаменов. Из полученного продукта вытягивают волокна из фильер со скоростью около 60 м/с. Существуют и другие методы получения органических волокон, но они менее распространены. По своей прочности на растяжение и модулю упругости (табл. 8) арамидные волокна превосходят все органические волокна и нейлон в 2 и 4 раза соответственно. Прочность и модуль упругости у них выше, чем у стеклянных волокон в 2 раза и, в некоторых случаях, модуль упругости - в 1,5 раза. Отсюда следуют высокие удельная прочность и удельный модуль упругости арамидных волокон. Арамидные волокна практически безусадочны по сравнению с другими типами химических синтетических волокон. Незначительная усадка (0,04 %) появляется лишь при температуре 350 °С. Таблица 8 Механические свойства арамидных, органических и других волокон
примечания: ρ - плотность; σв - прочность при растяжении; Ɛ- относительное удлинение; Е- модульупругости; оуд и Е уд - удельная прочность и удельный модуль упругости соответственно. Арамидные волокна сохраняют свои свойства при пропитке их связующими и в процессе изготовления изделий из ПКМ. Адгезионная прочность волокон СВМ к эпоксидным связующим находится на том же уровне, что и для минеральных волокон, и составляет 40...50 МПа. Для них характерны высокая усталостная прочность и незначительная ползучесть. Волокна обладают также повышенной стойкостью против перерезания и истирания, при текстильной переработке они теряют не более 10...20 % исходной прочности, тогда как стеклянные - до 50 %. Арамидные волокна устойчивы к действию воды, растворителей, горючего, смол; кислоты и щелочи действуют на них только при повышенных концентрациях и температурах. Теплопроводность их составляет 0,14 Вт/м К, а термический коэффициент линейного расширения — 2,6-10'6 град'1. Это очень низкие показатели, что существенно для работы некоторых узлов ракетной техники, в том числе и для корпусов РДТТ. К недостаткам арамидных волокон следует отнести несколько пониженную прочность при сжатии и большой разброс по прочности и модулю упругости, а также повышенную электризуемость, что требует принятия мер по защите изделий от накопления статического электричества. На прочность волокон влияет и ультрафиолетовое излучение. Но, несмотря на указанные недостатки, арамидные волокна обладают большим перечнем положительных свойств, что определило их широкое применение для изготовления корпусов РДТТ методом намотки. В табл. 9 приведены некоторые специфические характеристики нитей. Таблица 9 Физико-механические свойства технических нитей из СВМ
На основании выполненных исследований и опыта изготовления органопластиковых изделий установлено, что наиболее эффективными из текстильных структур, с учетом их переработки в изделие, являются нить СВМ линейной плотностью 29,4 текс, с круткой 100 кр/метр, состоящая из 200 волокон диаметром 12 мкм, и жгут - ровинг линейной плотностью 1000 текс из волокон диаметром 12 мкм. Текс - это масса одного метра нити в миллиграммах или одного километра - в граммах. Нужно сразу отметить, что органические волокна хорошо поддаются технологической переработке, особенно при изготовлении пластиков на эпоксидных матрицах. Методы формования органопластиков такие же, как и для пластиков с другими армирующими волокнами, применяется то же оборудование. Большое значение при переработке волокон имеют продолжительность пребывания органического наполнителя в контакте с не- отвержденным связующим при пропитке и хранении препрегов, температура и длительность процесса отверждения или термообработки композита при формовании изделий. Наиболее высокие прочностные свойства проявляют однонаправленные органопластики, армированные арамидными волокнами типа Кевлар и СВМ. Им присуща выраженная анизотропия свойств. Технология изготовления изделий из органопластиков методом намотки будет рассмотрена в специальной главе на примере корпуса РДТТ. Опыт показывает, что повышенные механические свойства органических волокон при изготовлении изделий используются далеко не полностью. Ниже рассматриваются некоторые аспекты этой проблемы. 1. Органические волокна нетеплостойки, прочность их падает с повышением температуры, причем, чем больше выдержка даже при полимеризации, тем больше падение прочности. Оно иногда достигает 25 %. Отсюда следует, что требуются такое связующее и такой режим полимеризации (поликонденсации), при которых потери прочности были бы минимальными. 2. Степень полимеризации никогда не достигает 100 % и останавливается на каком-то определенном значении, выше которого практически не подымается. Здесь могут быть предложены методы дополнительного радиационного отверждения или радиационной обработки при отверждении. Например, применение электронной бомбардировки с энергией электронов около 1 МэВ повышает прочность на 10... 15 %. Известны также опыты по повышению стабильности волокна путем нанесения на него специальных олигомеров с последующим отверждением их и одновременным облучением электронами с энергией около 700 кэВ. 3. Известно также, что кристаллизация полимеров, а с ней и полная полимеризация наступают лишь при температурах, при которых уже начинается деструкция матрицы и органического наполнителя. Применение магнитных полей и радиационной обработки способствует внутренней перестройке макромолекул и комплексов в композите. Некоторое повышение прочности и диэлектрической постоянной несомненно говорит об этом. Имеются сведения о волокнах, созданных на основе жидкокристаллических полимеров. Возможно, что и эпоксидные связующие при размягчении ведут себя как жидкие кристаллы и в магнитном поле образуют волокнистую структуру в самой матрице. 4. Показано также, что полимеризация связующего с помощью инфракрасного излучения в процессе непрерывной намотки ускоряет процесс отверждения и способствует повышению прочности. Энергия активации полимеризации при этом воспринимается молекулами непосредственно, а не через теплопроводность отверждаемой системы. Кроме того, при послойной полимеризации с помощью ИК-излу- чения в процессе намотки последующие слои наносятся на «твердую» основу, что способствует лучшему натяжению волокна. При этом связующее в полимере распределяется более равномерно, что также способствует повышению прочности. 5. Много внимания уделяется вопросу повышения адгезии на границе матрица-наполнитель - прежде всего, за счет применения аппретов (силанов, полидиметилсилоксанов), замасливателей; используются также обработка волокна сжатым воздухом, плазменным разрядом в газовых средах (NH3, NH3 + N2), электрохимическая обработка и т. п. 6. Очень интересными являются сообщения о получении арамидных волокон с пористой наружной оболочкой, содержащей игловидные пустоты, ориентированные параллельно оси волокна, т. е. с направленной ориентацией полимерных цепей. Прочность таких волокон составляет 3...3,5 ГПа, но, главное, они будут иметь высокую адгезию к матрице. 7. Необходимым является наличие прибора, контролирующего степень отверждения связующего в процессе термической обработки полимерных органопластиков. Он может быть построен на принципе непрерывного измерения диэлектрической постоянной. Некоторые предложения будут высказаны также в главе, посвященной материалам и технологии изготовления корпуса твердотопливного двигателя, имеющего форму кокона. |