|
|
@@ -1,19 +1,20 @@
|
|
|
-\chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых УУКМ от
|
|
|
-наличия локальных концентраторов напряжений}
|
|
|
+\chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых композитов с
|
|
|
+поликристаллической матрицей от наличия локальных концентраторов напряжений}
|
|
|
|
|
|
-\section{Технологические операции изготовления конструкций из тканых УУКМ,
|
|
|
-приводящие к появлению локальных концентраторов напряжений}
|
|
|
+\section{Технологические операции изготовления конструкций из тканых
|
|
|
+композиционных материалов, приводящие к появлению локальных концентраторов
|
|
|
+напряжений}
|
|
|
|
|
|
-\subsection{Описание технологического процесса изготовления
|
|
|
-углеродных волокон}
|
|
|
+\subsection{Описание технологического процесса изготовления волокон}
|
|
|
|
|
|
-Углеродные волокна обладают уникальными механическими и физическими свойствами
|
|
|
-по раду показателей: высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и
|
|
|
-температурного расширения, высокая стойкость к атмосферным воздействиям и
|
|
|
-химическим реагентам. Исходными материалами для получения углеродных волокон
|
|
|
-являются химические волокна и углеродные пеки.
|
|
|
+Волокна, используемые в тканых композитах с поликристаллической матрицей
|
|
|
+обладают уникальными механическими и физическими свойствами по раду показателей:
|
|
|
+высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и температурного расширения,
|
|
|
+высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам. Исходными
|
|
|
+материалами для получения таких волокон являются химические волокна и
|
|
|
+углеродные пеки.
|
|
|
|
|
|
-Технологический процесс получения углеродных волокон включает в себя стадии
|
|
|
+Технологический процесс получения волокон включает в себя стадии
|
|
|
текстильной подготовки материала, окисления, карбонизации и графитизации.
|
|
|
|
|
|
Во время текстильной подготовки из целлюлозного материала удаляется влага,
|
|
|
@@ -34,7 +35,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
средах нейтральных газов азота или аргона, которые предотвращают воздействие на
|
|
|
целлюлозу кислорода из воздуха.
|
|
|
|
|
|
-При графитизации углеродные влокна подвергаются высокотемпературной обработке.
|
|
|
+При графитизации влокна подвергаются высокотемпературной обработке.
|
|
|
Начальная температура графитизации определяется конечной температурой
|
|
|
карбонизации, а конечная находится в пределах $2600\dots2800^\circ\mathrm{C}$.
|
|
|
В процессе графитизации происходит насыщение волокон углеродом до содержания не
|
|
|
@@ -43,7 +44,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
|
|
|
Наряду с гидратцеллюлозным волокном в качестве сырья для получения углеродных
|
|
|
материалов используют ПАН-волокно. Из него изготавливают высокопрочные,
|
|
|
-высокомодульные углеродные волокна. Одним из преимуществ ПАН-волокна является
|
|
|
+высокомодульные волокна. Одним из преимуществ ПАН-волокна является
|
|
|
высокое содержание углерода --- около $40\%$ от массы полимера. Стадии процесса
|
|
|
получения углеродных волокнистых материалов из ПАН-волокна и вискозного сырья
|
|
|
аналогичны.
|
|
|
@@ -53,11 +54,15 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
волокон из пеков включает в себя следующие стадии: приготовление пека,
|
|
|
формование волокна, карбонизацию и графитизацию.
|
|
|
|
|
|
-Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов
|
|
|
-условно могут быть разделены на две группы: высокомодульные ($E_1^+ = 300\dots
|
|
|
-700$~ГПа, $\sigma_1^- = 2\dots 2.5$~ГПа) и высокопрочные ($E_1^- = 200\dots
|
|
|
-250$~ГПа, $\sigma_1^+ = 2.5\dots 3.2$~ГПа)
|
|
|
-\cite{bib:bulanov, bib:sokolkin}.
|
|
|
+Волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов условно могут
|
|
|
+быть разделены на две группы:
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{itemize}
|
|
|
+ \item высокомодульные --- $E_1^+ = 300\dots700$~ГПа, $\sigma_1^- = 2\dots
|
|
|
+2.5$~ГПа;
|
|
|
+ \item высокопрочные --- $E_1^- = 200\dots 250$~ГПа, $\sigma_1^+ = 2.5\dots
|
|
|
+3.2$~ГПа \cite{bib:bulanov, bib:sokolkin}.
|
|
|
+\end{itemize}
|
|
|
|
|
|
\subsection{Изготовление тканей}
|
|
|
|
|
|
@@ -113,7 +118,123 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
|
|
|
\subsection{Матричные материалы}
|
|
|
|
|
|
+Роль матрицы в армированном композите заключается в придании изделию
|
|
|
+необходимой формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое
|
|
|
+армирующий наполнитель, матрица позволяет композиции воспринимать различного
|
|
|
+рода внешние нагрузки, такие как растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и кручение.
|
|
|
+Также матрица принимает участие в создании несущей способности композита,
|
|
|
+обеспечивая передачу усилий на волокна.
|
|
|
+
|
|
|
+К матрицам предъявляют ряд требований, которые можно разделить на
|
|
|
+эксплуатационные и технологические. К первым относятся требования,
|
|
|
+обусловленные механическими и физикохимическими свойствами материала матрицы,
|
|
|
+которые обеспечивают работоспособность композиции при действии различных
|
|
|
+эксплуатационных факторов:
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{itemize}
|
|
|
+ \item механические свойства матрицы должны обеспечивать эффективную работу
|
|
|
+волокон при различных видах нагрузок;
|
|
|
+ \item природа матрицы определяет уровень рабочих температур композита,
|
|
|
+характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов.
|
|
|
+\end{itemize}
|
|
|
+
|
|
|
+Технологические требования определяются осуществляемыми одновременно процессами
|
|
|
+получения композита и изделия из него. Эти процессы включают совмещение
|
|
|
+армирующих волокон с матрицей и окончательное формование изделия.
|
|
|
+
|
|
|
+Исходными материалами для получение поликристаллической матрицы могут быть
|
|
|
+органические смолы с высоким коксовым числом и пеки. При этом важно, чтобы
|
|
|
+исходные материалы обладали высоким содержанием ароматических углеводородов,
|
|
|
+высокой молекулярной массой, а также развитыми поперечными химическими связями.
|
|
|
+
|
|
|
+В зависимости от фазового состояния исходных материалов различают следующие
|
|
|
+способы уплотнения матрицы:
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{itemize}
|
|
|
+ \item с использованием газообразных углеводородов (природный газ, метан,
|
|
|
+пропан-бутан, бензол и т.п.);
|
|
|
+ \item с использованием жидких углеводородов с большим выходом кокса (пеки,
|
|
|
+смолы);
|
|
|
+ \item комбинированный, включающий в себя пропитку пористых каркасов жидкими
|
|
|
+углевдородами, карбонизацию и уплотнение из газовой фазы \cite{bib:sokolkin}.
|
|
|
+\end{itemize}
|
|
|
+
|
|
|
+При выборе материала матрицы и технологии уплотнения необходимо учитывать
|
|
|
+следующие факторы:
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{itemize}
|
|
|
+ \item размер и форма каркаса;
|
|
|
+ \item тип нитей, определяющий такие их параметры, как характеристики
|
|
|
+смачивания и сцепления, зависимость свойств нити от температуры и др.;
|
|
|
+ \item геометрия и схема переплетения нитей, определяющие размеры пор, их
|
|
|
+распределение в объеме и степень связанности (открытости);
|
|
|
+ \item объемное содержание волокон в ткани;
|
|
|
+ \item тип ткани (сухая или предварительно пропитанная, частично отвержденная).
|
|
|
+\end{itemize}
|
|
|
+
|
|
|
+Процесс уплотнения каркаса и материал матрицы должны соответствовать типу
|
|
|
+каркаса и обеспечивать требуемые свойства конечного изделия
|
|
|
+\cite{bib:sidorenko}.
|
|
|
+
|
|
|
+\subsection{Уплотнение каркаса поликристаллической матрицей}
|
|
|
+
|
|
|
+Вид уплотнения тканого композита с поликристаллической матрицей определяется
|
|
|
+исходным материалом. Выделяют методы пропитки жидкостью и осаждение из газовой
|
|
|
+фазы.
|
|
|
+
|
|
|
+Для пропитки жидкостью применяют термореактивные смолы и пеки. Смолы отличаются
|
|
|
+хорошей пропитывающей способностью и легко доступны. При пиролизе эти смолы
|
|
|
+образуют стекловидную поликристаллическую матрицу, которая графитизируется при
|
|
|
+температуре около $3000^\circ\mathrm{C}$. Выход кокса составляет $50-56\%$ по
|
|
|
+массе. Процедура пиролиза представляет собой нагрев каркаса, пропитанного
|
|
|
+смолой, до температур порядка $400\dots 600^\circ\mathrm{C}$. Процесс пироиза
|
|
|
+также называют карбонизацией. При карбонизации происходит усадка матрицы,
|
|
|
+которая достигает $20\%$ и может привести к разрушению каркаса.
|
|
|
+
|
|
|
+Пеки являются термопластичными материалами. При продолжительном выдерживании
|
|
|
+температуры около $400^\circ\mathrm{C}$ в пеках идет образование
|
|
|
+высокориентированной фазы, которая при температуре $2500^\circ\mathrm{C}$
|
|
|
+переходит в графитовуюструктуру. Выход кокса составляет $50-90\%$.
|
|
|
+
|
|
|
+Пропитка ткани поликристаллической матрицей может проходить под низким или
|
|
|
+высоким давлением. Пропитка под низким давлением с последующей
|
|
|
+карбонизацией наиболее распространена. Она проводится при атмосферном или
|
|
|
+пониженном давлении, чаще всего в несколько циклов для снижения пористости. При
|
|
|
+карбонизации изделие нагревают с заданной скоростью до температуры
|
|
|
+$650\dots1100^\circ\mathrm{C}$, после чего охлаждают. Процесс карбонизации
|
|
|
+обычно длится около $100$ часов. Графитизация проводится при температуре
|
|
|
+$2600\dots2750^\circ\mathrm{C}$ в течении $30$ часов. Для получения максимально
|
|
|
+плотного композита цикл <<пропитка --- карбонизация>> проводится несколько раз,
|
|
|
+графитизация же выполняется только один раз --- в конце последнего цикла.
|
|
|
+
|
|
|
+Пропитку под высоким давлением применяют для повышения выхода кокса. Процедура
|
|
|
+практически совпадает с методом пропитки под низким давлением, за исключением
|
|
|
+того, что каркас помещается в тонкостенный металический контейнер, куда по
|
|
|
+давлением подается горячий пек. После того как контейнер заполнен он
|
|
|
+закрывается и выдерживается в автоклаве около суток по давлением
|
|
|
+$6\dots100$~МПа при температуре $550\dots 650^\circ\mathrm{C}$. Процесс
|
|
|
+пропитки и карбонизации может повторяться несколько раз, после чего изделие
|
|
|
+удаляется из контейнера и подвергается графитизации. Пропитка под давлением
|
|
|
+позволяет получить более плотный композит, кроме того высокое давление
|
|
|
+предотвращает выдавливание расплавленного пека из пор газообразными продуктами
|
|
|
+пироиза в процессе карбонизации.
|
|
|
+
|
|
|
+При осаждении поликристаллической матрицы из газовой фазы каркас помещают в
|
|
|
+печь, в которой он нагревается. Во внутренний объем каркаса подается
|
|
|
+газообразный углеводород, из которого при прохождении сквозь поры каркаса на
|
|
|
+поверхность волокон осаждается углерод. Процесс осаждения повторяется несколько
|
|
|
+раз, при этом присутствует необходимость между циклами счищать углеродную
|
|
|
+корку, образующуюся на поверхности каркаса для вскрытия пор.
|
|
|
+
|
|
|
+Для осаждения из газовой фазы характерна проблема, которая заключается в том,
|
|
|
+что в процессе осаждения закупориваются малые поры и узкие проходы между
|
|
|
+крупными порами, что приводит к появлению замкнутых пространств внутри каркаса.
|
|
|
+
|
|
|
+В некоторых случаях методы пропитки жидкостью и осаждение из газовой фазы
|
|
|
+используются по очереди в рамках единого технологического цикла.
|
|
|
+
|
|
|
\section{Экспериментальные закономерности влияния локальных концентраторов
|
|
|
-напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых УУКМ}
|
|
|
+напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых композитов с
|
|
|
+поликристаллической матрицей}
|
|
|
|
|
|
\section{Выводы к первой главе}
|
