ЗАЯВЛЕННЫЕ ПОТРЕБНОСТИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КМ

Стр 1 из 82Следующая ⇒

Перспективы развития техники XXI в. в значительной мере связаны с использованием прогрессивных композиционных материалов. Успешная реализация больших потенциальных возможностей, заложенных в идее композитов, зависит от уровня подготовки и объема знаний специалистов, работающих в этой области. Технология — основной этап создания конструкций из композиционных материалов, так как на этом этапе образуется как сама конструкция, так и материал, из которого она изготавливается. Это обстоятельство выделяет технологию производства конструкций из композитов в самостоятельную область знаний. 5

технологии изготовления конструкции из данного материала.

В настоящее время главным классом материалов, удовлетворяющих всему комплексу перечисленных требований, являются КМ — композиты — на основе современных углеродных, борных, органических и стеклянных волокон в сочетании с полимерными, металлическими, углеродными, керамическими и другими видами матриц (связующих).

Несмотря на то, что композиты очень древний материал, наука о них в том виде, в каком она существует, появилась в связи с применением композитов в ракетной технике. В настоящее время композитные материалы широко используют в производстве аэрокосмической техники, автомобилей, бытовых и спортивных товаров, всевозможного оборудования и приборов.

, Объем производства композитов в промышленно развитых странах увеличивается с каждым годом и многие ученые считают, что XXI в. станет веком композитных материалов.

Рис. В Л. Общий вид атмосферного пассажирского самолета «Восточный экспресс» (США)

Создание новых материалов, наряду с достижениями в технологии изготовления деталей, будет играть ключевую роль в авиационных, космических и ракетных системах будущего для уменьшения массы и стоимости конструкции. Например, в США разработана программа развития аэрокосмической техники на ближайшее десятилетие с широким применением прогрессивных КМ. Одна из задач этой программы касается создания аэрокосмических аппаратов для заатмосферных полетов, способных взлетать и приземляться на обычных взлетных полосах. Общий вид будущего летательного аппарата, названного "Восточный экспресс", который даст возможность перевозить пассажиров с западного побережья США в страны Азии менее чем за два часа, показан на рис. В.1. Развитие заатмо-сферной авиации в основном обусловлено решением следующих задач: экономия топлива за счет снижения массы аппарата;

защита корпуса от высоких температур (1600 °С), которые могут нагревать его поверхность и др.

Решение этих задач возможно только с появлением новых КМ и технологии их переработки.

При изготовлении конструкций из КМ совершенство технологии определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надежных методов НК композиционных конструкций и полуфабрикатов для их производства.

В настоящее время технология производства элементов ЛА из композитов развивается опережающими темпами практически во всех промышленно развитых странах. Примеров успешного применения КМ в элементах ЛА сейчас насчитывается достаточно много. Приведем некоторые из них. Использование конструкций из стеклопластика в США фирма "Боинг" начала уже в 1958 г. Самолет ДС-8 имел тогда площадь трехслойных сотовых конструкций 370 м , на что расходовалось 160 кг стеклопластика. В нашей стране аналогичные изделия появились в середине 60-х годов. К этому времени у нас имелся опыт использования стеклопластиковых конструкций для спортивных планеров.

Появление таких материалов как углепластики, органопластики и боропластики существенно расширило объемы применения композитов в элементах Л А.

Еще шире представлены композиты в самолетах "ИЛ-96", "ТУ-204". В силовых конструкциях современных вертолетов на долю композитов приходится 45...55 % от общей массы, благодаря чему массу конструкции удается снизить на 25...30 %. Ресурс работы при этом увеличивается в 2—3 раза, а трудоемкость изготовления снижается в 1,5—2 раза.

Значительно увеличилась доля композитов в тяжелом и транспортном машиностроении, энергетике, химической и нефтяной промышленности, строительстве и т.п. (рис. В.З).

ЗАЯВЛЕННЫЕ ПОТРЕБНОСТИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КМ

Возможное применение

Скрубберы, градирни, газоходы, трубопроводы, химводоочистки,

гидрозолоудаление, колодцы

Обсадные трубы, хранилища агрессивных продуктов

Баллоны, емкости, цистерны

Контейнеры для транспортировки взрывчатых и ядовитых веществ

Дымовые трубы, вакуумиспарительные установки

Контуры упарки, пульсационные колонны

Тюбинги, опоры, балки, каркасы

Силосные башни

Перегородки для немагнитных строительных конструкций

Рис. В.З. Композиты, используемые в различных областях промышленности

1.1. Общие понятия и определения

В связи с нетрадиционностью технологий производства изделий из композитов приведем наиболее общие терминологические определения, используемые в современной технической литературе.

Композиционный материал — многофазный однородный анизотропный материал регулярной структуры с четко выраженной границей раздела фаз.

Наполнитель, армирующий элемент — составная часть композита нитяной, жгутовой, проволочной, ленточной или тканевой структуры с известными физико-механическими характеристиками материалов.

Матрица — составная часть композита, обеспечивающая его монолитность и совместную работу всех моноволокон наполнителя.

Связующее — смола, раствор, газ, порошок, расплав, образующие матрицу в процессе изготовления композита.

Препрег — полуфабрикат, представляющий собой волокнистый наполнитель, пропитанный связующим в определенном весовом соотношении.

Отверждение ~ процесс затвердевания связующего при изготовлении композита в результате реакции полимеризации, поликонденсации, перехода из жидкой фазы в твердую, а также кристаллизации.

Реактопласт ~ композит, имеющий полимерную матрицу с пространственно сшитой молекулярной структурой, который отверждается при нагреве.

Термопласт — композит, имеющий наиболее простую линейную молекулярную структуру, который отверждается при охлаждении.

Получение КМ с заданными физико-механическими характеристиками имеет ряд особенностей.

1. Свойства КМ формируются в процессе производства конкретной конструкции.

2. Процесс проектирования изделия начинается с конструирования самого материала — выбора его компонентов и назначения оптимальных режимов производства.

3. Без учета особенностей технологии производства нельзя правильно назначить требования к КМ (как к конструкционному материалу) и тем более к самой конструкции.

4. Главная особенность создания конструкций из КМ, в отличие от традиционных конструкций, заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции -это единый взаимосвязанный процесс, в котором каждая из составляющих не исключает, а дополняет и определяет другую. Триада материал—конструкция—технология неразделима.

Композит представляет собой неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ

матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов..

Армирующие волокна, применяемые в конструкционных КМ, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования, обусловливающие прочность, жесткость, плотность, стабильность в определенном температурном интервале, химическую стойкость и т.п. Ко вторым — технологичность волокон, определяющая возможность создания высокопроизводительных процессов изготовления силовых каркасов и изделий на их основе. Армирующие компоненты используют в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Свойства КМ при этом зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способа армирования, в соответствии с которым можно выделить следующие основные группы: композиты, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами (несмотря на большое многообразие структур, которые определяются числом слоев, их толщиной и взаимной ориентацией, свойства таких материалов оцениваются свойствами однонаправленного слоя); композиты, армированные тканями (тканые материалы); композиты с хаотическим и пространственным армированием.

Классификация композитов

В композитах армирующие элементы соединены изотропной полимерной, металлической или другими видами матрицы, которая обеспечивает монолитность материала, фиксирует форму изделия, способствует совместной работе волокон иперераспределяет нагрузку при разрушении части волокон. Тип матриц определяет также метод изготовления конструкции. Общепринято характеризовать современные композиты (рис. 1.1) типом матрицы.

Рис. 1.1. Классификация композитных материалов

По конструктивному признаку волокнистые материалы различают в зависимости от типа арматуры и ее ориентации в матрице (рис. 1.2).

характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают.

Рис. 1.2. Классификация композитов по конструктивному признаку: а - хаотически армированные: / — короткие волокна; 2- непрерывные волокна; б - одномерно-армированные: / — однонаправленные непрерывные; 2 - однонаправленные короткие; в — двумерно-армированные: / — непрерывные нити; 2 — ткани; г — пространственно армированные: 1 — три семейства нитей; 2 —п семейств нитей

1.2. Армирующие волокнистые наполнители

Компонентами КМ являются различные дискретные и непрерывные волокна, а также матричные материалы.

В качестве армирующего наполнителя в КМ с матрицей из синтетических смол применяют стеклянные, арамидные, углеродные и борные волокна (табл. 1.1). Кроме того, используют базальтовые, сапфировые волокна,'на основе карбида кремния, полиэтиленовые волокна. В композитах на основе металлической матрицы применяют проволоки из стали, вольфрама, бе-

риллия, титана, ниобия и других металлов.

Таблица 1.1 Сравнительная характеристика волокон

Свойства		Волокно
Свойства	Стеклянное	Борное	Углеродное	Арамидное
Механические:
удельная прочность	Высокая	Высокая	Средняя	Очень высокая
удельный модуль	Низкий	Высокий	Очень высокий	Средний
сопротивление удару	Отличное	Удовлетворительное	Плохое	Отличное
удлинение при разрыве	Высокое	Низкое	Среднее	Среднее
стабильность	Отличная	Отличная	Средняя	Отличная
Теплофизические: теплопроводность	Низкая	Средняя	Высокая	Низкая
температурный КЛТР	Средний	Средний	Очень низкий	Очень низкий
демпфирующая способ-
Ность	Высокая	Удовлетворительная	Хорошая	Отличная
Производственно-техноло-
гические:
наименьший радиус из-
Гиба	Малый	Очень большой	Малый	Малый
чувствительность к по-
вреждениям при перера-
Ботке	Средняя	Средняя	Высокая	Низкая
возможность переработки в ленты и ткани	Хорошая	Плохая	Хорошая	Хорошая
Стоимость	Очень низкая	Высокая	Умеренная	Умеренная

К волокнам с ярко выраженной анизотропией свойств относятся органические, арамидные, углеродные и борные волокна. Металлические и СВ считают однородными и изотропными.

Рассмотрим основные типы волокон.

При создании неметаллических конструкционных композитов — стеклопластиков — широко применяют стеклянные волокна. При сравнительно малой плотности они теплостойки, устойчивы к химическому и биологическому воздействию, имеют высокую прочность и низкую теплопроводность.

Исходный технологический процесс для получения всех видов СВ — вытягивание нитей из расплава.

Рис. 1.3. Схема одностадийного получения стекловолокна: 1 — глина; 2 — известняк; 3 — уголь; 4 — кварцевый песок; J — флюорит; 6 — борная кислота; 7 - автоматические дозаторы; 8 - смеситель; 9, 10 — бункера; 11 - шнековый питатель; 12 -ванна; 13 — секция приготовления замасливателя (шлихты); 14 - платиновые фильеры (бу-шинги) с электронагревом и автоматическим управлением; /5 — замасливатель; 16 — высокоскоростное намоточное устройство; 17, 27— посты контроля и взвешивания; 18 — камера для кондиционирования волокна;

19 — крутильные машины; 20 — участок отделки и упаковки пряжи; 21 — участок термической наработки; 22 — шпулярники; 23 - намоточная машина для ро-винга; 24 — резальная машина; 25 — ровинг; 26— резаное волокно (штапель)

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ

эмульсию, в качестве прямого замасливателя — сложные системы, содержащие специальные добавки — аппреты, которые способствуют созданию адгезионной связи на границе раздела полимер—стекло.

Нити характеризуются длиной (непрерывные, дискретные), числом сложений и круткой, т.е. количеством продольных витков на 1 метр.

Толщина нитей зависит от толщины или диаметра волокон. Эти показатели принято измерять в линейных единицах, в то время как в производстве волокон — обычно в тексах (ГОСТ 10878-70).

Текс — внесистемная единица линейной плотности волокон или нитей, т.е. отношение их массы т к длине L: 1 текс = = 1 г/км = 1 мг/м. Характеризует толщину Т материалов.

различного состава приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1023; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!