Tecnologías compuestas. Tecnologías modernas intensivas en ciencia. Tecnología compuesta - Sección de tecnología de materiales

Arroz. 1.28. Esquemas de impregnación forzada mecánica en la cámara de cuña (a) y con la ayuda de un rodillo exprimidor (b): 1 - armadura, 2 - aglutinante, 3 - rodillos

4. Moldura.

Esta es la operación de dar al producto una forma y un tamaño determinados. El conformado se puede realizar en prensas, contacto, vacío, métodos de autoclave y bobinado.

Antes de formar en las prensas, la mecha o tejido preimpregnado se corta manualmente o en máquinas especiales en piezas de la longitud deseada. Dependiendo de la estructura PCM dada, las piezas se colocan en una o varias direcciones alternas. El paquete se coloca entre las placas de una prensa hidráulica y se compacta bajo presión de varias a decenas de atmósferas, dependiendo de la naturaleza y estructura de los componentes. Si el refuerzo está impregnado con un aglutinante de curado en caliente, las placas de prensa se calientan. Este método generalmente se usa para producir materiales laminares como la textolita.

El moldeo por contacto es el enrollado de una cinta o tela impregnada con un rodillo. Normalmente, la densificación se lleva a cabo a temperatura ambiente utilizando resinas de curado en frío. Este método se utiliza en la producción a pequeña escala de productos de gran tamaño y con poca carga.

El moldeo al vacío de productos de PCM se realiza debido a la diferencia entre las presiones atmosférica e interna (en el volumen donde se encuentra el producto). El moldeo al vacío se utiliza para la fabricación de pequeños lotes de productos, ya que el método es ineficaz y relativamente caro.

En el método de moldeo en autoclave, el producto se forma mediante una ligera presión generada por agua o gas. Este método se puede utilizar para obtener grandes series de piezas grandes de forma compleja.

Una de las formas más comunes de obtener PCM y productos de ellos es el método de bobinado. En este caso, el refuerzo impregnado con un aglutinante se enrolla en un tambor (mandril) con tensión. El bobinado permite automatizar el proceso de moldeo y programar la anisotropía de las propiedades del producto final. El devanado se usa más ampliamente para la fabricación de productos que tienen la forma de cuerpos de revolución (cilindros, esferas, conos, toroides, etc.).

5. curación.

Durante el curado del aglutinante, se crean las estructuras finales; PCM, se forman sus propiedades y se fija la forma del producto. Los principales parámetros tecnológicos de curado son la temperatura y el tiempo. Es necesario cumplir estrictamente con los parámetros desarrollados para cada combinación de ligante y refuerzo.

El curado se puede realizar a temperatura ambiente (curado en frío*), a temperaturas elevadas (curado en caliente), en hornos eléctricos o de inducción con control automático de temperatura, curado por radiación.

Durante el curado se observan dos etapas características por las que pasa sucesivamente el ligante termoendurecible: la etapa inicial, durante la formación de la red polimérica, y la etapa final, durante la formación de la red polimérica. Estas dos etapas están separadas entre sí por el llamado punto de gelificación. El punto de gelificación corresponde al momento en que el ligante pierde su capacidad de pasar a un estado fluido para disolverse en disolventes.

En un cierto rango de temperatura, el aglutinante líquido pasa i estado vítreo. Todas las propiedades del aglutinante cambian drásticamente: el volumen específico disminuye, la dureza aumenta y surge la resistencia a la deformación. La temperatura a la que se produce este fenómeno se denomina temperatura de transición vítrea. La temperatura de transición vítrea no es un punto, sino la temperatura media del intervalo. La transición vítrea no es una transición de fase; el aglutinante vítreo tiene una estructura amorfa y, desde un punto de vista termodinámico, puede considerarse como un líquido sobreenfriado.

Otro punto característico de los materiales poliméricos es la temperatura de degradación, la temperatura a la que comienza una descomposición notable del polímero, acompañada de la ruptura de los enlaces moleculares. La destrucción, como la transición vítrea, ocurre en el rango de temperatura. ¡Sostenibilidad! aglutinante a la destrucción se caracteriza por su estabilidad térmica (estabilidad térmica, estabilidad térmica). Este concepto debe distinguirse de la resistencia al calor, que refleja la capacidad del polímero para ablandarse.

Hasta el agotamiento completo de los grupos reactivos, la reacción de curado puede continuar solo si la temperatura de curado está por encima de la temperatura de transición vítrea. De lo contrario, no se puede lograr un curado completo. Los grupos reactivos aún permanecen en el polímero, pero su tasa de interacción con otros grupos es muy baja debido a la viscosidad muy alta del sistema. Si el SHSM con aglomerante curado de manera incompleta se opera a temperaturas elevadas, el curado continuará. Esto conduce a un cambio en la forma y las dimensiones del producto, la aparición de tensiones internas adicionales.

A menudo, la reacción de curado va acompañada de la liberación de calor, el material se autocalienta y el aglutinante puede endurecerse por completo. El curado en frío de los aglutinantes termoendurecibles se basa en este principio. Sin embargo, para productos críticos, en la mayoría de los casos, se utiliza el curado en caliente.

El refuerzo y el aglutinante en la composición están bajo la acción de tensiones internas, que se pueden dividir en tres tipos: estructurales, de contracción y térmicas.

Las tensiones estructurales son causadas por la tensión tecnológica del refuerzo durante el proceso de bobinado. Antes de retirarlos del mandril, las tensiones estructurales actúan solo en las fibras, están ausentes en el aglutinante.

Se producen tensiones de contracción en las fibras y el aglutinante debido a la disminución del volumen (contracción) del aglutinante durante su curado. La cantidad de contracción puede variar de 2 a 30% en volumen dependiendo de la naturaleza del compuesto.

Los esfuerzos térmicos se deben a la diferencia en los coeficientes de dilatación lineal de la armadura y del aglutinante ya la distribución desigual de temperaturas en el volumen del producto. Como regla general, el coeficiente de expansión lineal de los polímeros es significativamente mayor que el de las fibras.

En un PCM real, todas las tensiones consideradas se suman y el material está bajo la acción de las tensiones resultantes, que se relajan con el tiempo. Para promover una relajación más completa de la tensión y evitar deformaciones y grietas, se recomienda calentar y enfriar lentamente los productos PCM.

Los CFRP con fibras de bajo módulo no se utilizan como estructurales. De ellos se fabrican materiales conductores, de protección térmica y antifricción.

Los CFRP estructurales contienen fibras de carbono de alto módulo (E = 342–540 GPa) y alta resistencia (steg–2,5 GPa) como relleno. Los plásticos de carbono estructural se caracterizan por una baja densidad y un coeficiente de expansión lineal y un alto módulo de elasticidad, resistencia, resistencia al calor, conductividad térmica y eléctrica.

Las propiedades de los plásticos de carbono están determinadas por el material aglutinante, las propiedades, la concentración y la orientación de las fibras. Los CFRP basados ​​en resinas epoxi tienen características de alta resistencia a temperaturas inferiores a 200 °C (Tabla 1.6). Estos PCM se fabrican con mayor frecuencia a partir de preimpregnados disponibles en cintas de varios anchos. La resistencia a la tracción ya la flexión de la fibra de carbono unidireccional puede ser de 1000 - 1600 MPa o más, y el módulo de elasticidad (1 - 2,5) -10 MPa o más. En términos de resistencia y rigidez específicas, los plásticos de carbono dejan muy atrás a los plásticos de vidrio, acero, aluminio y aleaciones de titanio.

Tabla 1.(

Propiedades de los CFRP epóxicos de alto módulo y alta resistencia

En los plásticos de carbono destinados a la operación a largo plazo a temperaturas de hasta 250 ° C, se utilizan los fenólicos, hasta 300 ° C - organosilicio i hasta 330°C - ligantes de poliimida. Se están desarrollando aglutinantes con temperaturas de funcionamiento de hasta 420°C. Una desventaja aún más pronunciada de los plásticos reforzados con fibra de carbono que la de los plásticos reforzados con vidrio es su baja resistencia al corte interlaminar. Esto se debe a la débil adhesión de los polímeros a las fibras de carbono. Para: aumentar la adherencia, se utilizan varios métodos: grabar la superficie de las fibras con agentes oxidantes (por ejemplo, ácido nítrico), quemar el lubricante; encolado - pre-recubrimiento de las fibras con una fina capa de un monómero humedeciéndolas; whiskering - creciente "bigote" (montón) con fibras de carbono. CFRP, en el que, además de las fibras continuas orientadas, se utilizan bigotes como relleno, ¡lo llamo! viscerizado o vorserizado.

La anisotropía de las propiedades en los plásticos de carbono es aún más pronunciada que en la fibra de vidrio. Está conectado con eso. que la relación de los módulos elásticos del relleno y el aglutinante para plásticos reforzados con fibra de carbono (100 y más) es significativamente mayor que para los plásticos de fibra de vidrio (20-30). Además, los CFRP se caracterizan por la presencia de una diferencia entre las propiedades elásticas de las propias fibras en la dirección a lo largo del eje y perpendicular a él, lo que conduce a una anisotropía adicional. Por lo general, los diseños requieren menos anisotropía mecánica. En este caso, se utilizan materiales con refuerzo cruzado. Al cambiar el contenido de volumen de las fibras y la textura de PCM, es posible cambiar las propiedades de las composiciones en un rango muy amplio.

CFRP se distingue por una alta resistencia a las cargas de fatiga. En términos del límite de resistencia por unidad de masa, los plásticos de carbono son significativamente superiores a los plásticos y metales reforzados con vidrio. Una de las razones de esto es la menor deformación (que, por ejemplo, la fibra de vidrio) al mismo nivel de tensión, lo que reduce el agrietamiento de la matriz polimérica. Además, la alta conductividad térmica de las fibras de carbono contribuye a la disipación de la energía vibratoria, lo que reduce el autocalentamiento del material debido a las fuerzas de fricción internas.

Una valiosa propiedad de la fibra de carbono es su alta capacidad de amortiguación y resistencia a las vibraciones. Según estos indicadores, los plásticos de carbono son superiores a los metales y algunos otros materiales estructurales. La capacidad de amortiguamiento se puede ajustar cambiando el ángulo entre las direcciones de refuerzo y aplicación de carga.

CFRP se utiliza para fabricar estructuras que funcionan para la estabilidad bajo la influencia de un momento de flexión externo, presión o compresión axial: palas de rotor de helicóptero, carcasas de compresor y ventilador, palas de ventilador, estator y discos de rotor de un compresor de baja presión de motores de aviones. El uso de fibra de carbono en estas unidades en lugar de metales permite reducir la masa del motor entre un 15 y un 20%. En tecnología espacial, los plásticos de carbono se utilizan para paneles solares, cilindros de alta presión y revestimientos de protección térmica.

El coeficiente de expansión lineal de los plásticos de carbono unidireccionales de alto módulo en la dirección longitudinal es cercano a cero, y en el rango de 120 - 200 ° C es incluso negativo (-0.5-10 "6 1 / ° C). Por lo tanto, el las dimensiones de los productos hechos de plásticos de carbono cambian muy poco durante el calentamiento y enfriamiento.

Los CFRP tienen una conductividad eléctrica bastante alta, lo que les permite usarse como materiales antiestáticos y de calefacción eléctrica. Con un aumento en el contenido de hidrocarburos en PCM a una cierta fracción de volumen (40–70%), según el tipo de polímeros e hidrocarburos, se observa la forma textil de los hidrocarburos, un aumento en la resistencia y el módulo de elasticidad. Luego, estos indicadores comienzan a deteriorarse debido a la cantidad insuficiente de polímero necesaria para obtener un compuesto monolítico y destruir los hidrocarburos frágiles en la etapa de formación con un alto grado de compactación. El contenido máximo de HC en PCM también está limitado por la mala humectabilidad del aglutinante HC.

En algunos casos, el uso de solo fibras de carbono como relleno no proporciona la viscosidad necesaria, la resistencia a la erosión, la resistencia a la compresión, a la tracción y al corte. Luego, los aglutinantes se refuerzan conjuntamente con fibras de carbono y vidrio o de carbono y boro. ¡El refuerzo combinado le permite ampliar la gama! valores de resistencia, rigidez y densidad de PCM.

La resistencia química de los plásticos de fibra de carbono hace posible su uso en la producción de bombas y sellos resistentes a los ácidos. Las fibras de carbono tienen un bajo coeficiente de fricción, lo que permite su uso como relleno para varios aglutinantes, a partir de los cuales se fabrican cojinetes de juntas, bujes y engranajes.

El desarrollo de la tecnología requiere materiales mecánicamente fuertes y resistentes al calor. Esto despertó un interés particular en los materiales compuestos de carbono-carbono (CCCM) que contienen carbono tanto en forma de relleno de refuerzo como en forma de material de matriz.

En CCCM, la resistencia a altas temperaturas se combina con baja densidad, alta resistencia y módulo de elasticidad, resistencia al calor; soplar. Estos materiales son duraderos durante mucho tiempo a temperaturas de hasta 500°C (en un ambiente oxidante y hasta 3000°C en una atmósfera inerte y en vacío).

El relleno y la matriz de CCCM, dependiendo de la composición y condiciones de carbonización, pueden tener diferentes modificaciones. En la clasificación aceptada, primero se indica la estructura del relleno de carbono, luego la matriz, por ejemplo, material de carbono-carbono, grafito-carbono, grafito-grafito.

En CCCM, el relleno de carbono está contenido en forma de fibras discretas, hilos continuos o estopas, fieltros, cintas, telas con tejido plano i volumétrico, estructuras volumétricas. Las fibras están dispuestas al azar en una, dos y tres direcciones. Se utilizan hidrocarburos de bajo módulo, alto módulo y alta resistencia, obtenidos a partir de viscosa, fibras de poliacrilonitrilo y brea de alquitrán de hulla.

El carbón pirolítico se puede utilizar como matriz, así como la brea de alquitrán de hulla y los polímeros de coque, que dan más del 50 % en peso de coque en el proceso de destrucción térmica. Muy a menudo, se utilizan resinas fenólicas (rendimiento de coque 54–60 % en peso). Es conocido el uso de poliimido (63 - 74 % en peso), resinas de organosilicio (84 - 87 % en peso), productos de condensación de fenol y naftenos con formaldehído (70 % en peso), soles de oligobencimid (74 % en peso). , resinas de furfurilo y otros, polímeros. Cuanto más se mueva y, la fuerza del coque, así como la fuerza de su adhesión al relleno, tci, mayor será la calidad del CCCM.

, .„.„ Para obtener un compuesto con las propiedades deseadas, es necesario determinar la combinación más favorable de relleno y matriz, así como el régimen tecnológico más favorable para obtener una matriz de yraepoj.

Dependiendo del estado de fase de las sustancias que contienen carbono, se distinguen los siguientes métodos de densificación de rellenos de fibra de carbono (CFF) con carbono:

utilizar hidrocarburos en fase gaseosa o vapor (gas natural, propano-butano, benceno, etc.);

utilizar hidrocarburos líquidos caracterizados por un alto contenido de carbono y un alto porcentaje de rendimiento de coque (brea, alquitrán);

combinado, que incluye la impregnación de estructuras porosas con hidrocarburos líquidos y la carbonización, luego la compactación con carbón pirolítico obtenido por pirólisis de hidrocarburos en fase gaseosa.

El proceso de sellado del marco se puede realizar de varias formas.

El método isotérmico proporciona el paso de un gas que contiene carbono sobre la superficie de un marco calentado a una presión relativamente moderada. La desventaja es la duración del proceso, la formación de una costra superficial que impide la penetración de gas en el marco. Este método es más efectivo para productos de pequeño espesor.

En otro método, se establece una diferencia de presión a lo largo de todo el espesor del marco, y el gas que contiene carbón se filtra a la fuerza a través de él. La filtración forzada acelera el proceso de compactación y aumenta considerablemente el espesor de la impregnación. Sin embargo, debido a la disminución de la concentración de gas que contiene carbono sobre el espesor de la capa, la estructura del material resulta ser desigualmente densa.

El más extendido es el método de termogradiente, cuando se establece una cierta diferencia de temperatura en todo el espesor del marco poroso y el gas que contiene carbono pasa desde el lado de la superficie con una temperatura baja. En este caso, se excluye la formación de una costra superficial, lo que contribuye a la producción de material de alta calidad. Este método es más efectivo cuando se compactan estructuras de mediano y gran espesor.

Durante la descomposición térmica de los hidrocarburos en fase gaseosa, se producen simultáneamente varios procesos químicos, que dan como resultado hidrocarburos más ligeros y más pesados, hidrógeno y varios productos sólidos de carbono. La estructura y las propiedades de los productos de carbono son diversas y dependen de las condiciones del proceso. Por ejemplo, los productos de descomposición térmica, dependiendo de la forma geométrica externa, contienen:

carbón en capas o brillante, llamado pirocarbono (PU);

Carbono fibroso o filamentoso; carbón en estado disperso u hollín.

La formación de PU tiene lugar en un amplio rango de temperatura de 700 a 3000°C. La composición de los gases iniciales determina el rendimiento de PU y la velocidad de su deposición. El mayor rendimiento de PU se obtiene del metano, que tiene el peso molecular más bajo. Los hidrocarburos con un alto peso molecular tienen un mayor rendimiento de hollín. En este caso, la presión del gas en el reactor es fundamental.

Existen dos tipos principales de PU, cuya estructura y propiedades están determinadas por la temperatura de formación: baja temperatura (1000 - 1100°C) y alta temperatura (1400 - 2200°C), denominadas pirografito.

El proceso de deposición de PU en fase gaseosa se lleva a cabo en una instalación (Fig. 1.29), que consta de un reactor refrigerado por agua, una estación de control para los sistemas de suministro de gas natural, creando un equipo de vacío, refrigeración y energía. La pieza de trabajo - estructura de carbono (4) está montada sobre calentadores de grafito (3) intercalados entre conductores de corriente (2). Después de la evacuación de la cámara, se alimenta gas natural al reactor. El calentamiento se realiza mediante corriente continua que pasa a través del calentador (3), control de temperatura - ¡mediante termopares móviles de cromo-alumel (5) colocados en cubiertas de cuarzo Al comienzo del proceso, el termopar se instala con una unión en el calentador superficie - centro de la pieza de trabajo a la periferia.

En el caso de la deposición de PU en fase gaseosa, uno de los criterios de calidad del material obtenido es su densidad. Es una función de muchos parámetros y depende de la densidad del marco, la velocidad del frente de pirólisis, la concentración del reactivo y la presión del gas en el reactor.

La formación de carbón pirolítico a partir de la fase gaseosa en UHV se lleva a cabo principalmente a temperaturas de 1100 a 1500 °C y presión reducida en una atmósfera que contiene 91 a 93 % de metano y 7 a 9 % de argón. La grafitización se lleva a cabo en atmósfera inerte.

El proceso tecnológico de obtención de CCCM por el método de fase líquida!* incluye la fabricación de una estructura porosa, su impregnación con hidrocarburos líquidos, carbonización bajo presión y grafitización. Al elegir un material de impregnación para la impregnación, se tienen en cuenta las siguientes características:

viscosidad;

coque de escape;

microestructura de coque;

La estructura cristalina del coque.

Todas estas características dependen de la presión y temperatura en el proceso* de compuestos carbono-carbono. Las resinas fenólicas, de poliamida, polivinilsiloxano, polifenilsiloxano, furfurilo y epoxi novolaca se utilizan con mayor frecuencia como resinas. Una dirección progresiva y prometedora es el uso de breas de petróleo y carbón como material de impregnación. Estos aglutinantes tienen las siguientes ventajas: bajo costo, alto contenido de carbono mientras conservan la termoplasticidad y la capacidad de grafitización de las breas de mesofase preparadas. Las desventajas incluyen: toxicidad, inconstancia de calidad.

W

Arroz. 1.29. Esquema de instalación del método de termogradiente de deposición de pirocarbono en fase gaseosa: 1 - reactor refrigerado por agua, 2 - cables de corriente, 3 - calentador, 4 - marco de carbono, 5 - termopar en un tubo de cuarzo, 6 - mecanismo de movimiento del termopar , 7 - camisa de agua; corrientes: I - gas, II - productos gaseosos de pirólisis, W - agua.

La composición química y las propiedades de las breas varían mucho según la naturaleza de la materia prima y las condiciones tecnológicas. Bajo ciertas condiciones, una fase de cristal líquido (mesofase) puede nuclearse y crecer en breas, lo que asegura la formación de coque grafitante anisotrópico. En este sentido, las breas se distinguen actualmente en isotrópicas (ordinarias, no mesofásicas) y anisotrópicas (mesofásicas).

Durante la carbonización a baja temperatura (550 - 650°C), la mesofase pasa a semicoque sólido. Este proceso va acompañado de un hinchamiento bajo la influencia de los gases desprendidos, lo que conduce a la formación de una estructura de coque finamente porosa. Durante el hinchamiento, se produce una profunda deformación del coque y un aumento del número de estructuras defectuosas, lo que, durante el tratamiento térmico posterior, conduce a la aparición de grietas por contracción.

La formación de la estructura y las propiedades de la matriz de coque de carbono depende de las condiciones del tratamiento térmico, que se pueden dividir condicionalmente en varias etapas:

Carbonización (900 - 1423°C) - descomposición de compuestos orgánicos

y formación de la estructura molecular ordenada de carbón-coque

precristalización (1400 - 2000°C) - ordenamiento de átomos yi

lerod en una estructura más perfecta con la formación de los llamados<

formas básicas de carbono;

grafitización homogénea (2000 - 3000°C) - transformación de transición; ny formas de carbono en grafito cristalino.

En la fig. 1.30 muestra un esquema de una instalación para impregnar tejidos de carbono.

Arroz. 1.30. Esquema de la instalación para impregnación de tejido de carbono: 1 - bobina consumible, 2 - tejido de carbono, 3 - rodillos de presión, 4 - horno eléctrico, 5 - dispositivo que regula la velocidad de alimentación del tejido, 6 - bobina receptora; 7 - accionamiento eléctrico, 8 - baño

La tela se desenrolla del carrete de suministro (1) y pasa a través de su (8), en el que tres agitadores de alta velocidad mezclan intensamente el polvo de brea con agua, creando una suspensión estable de agua-brea. IIj ulterior paso de la tela a través de los rodillos de presión (3) y el electrón 1 (4), el agua se evapora y la brea, "derretiéndose, impregna la tela. El preimpregnado resultante con la ayuda de un accionamiento eléctrico (7) y una tela El dispositivo de control de la velocidad de alimentación (5) se enrolla en un carrete de recogida (6).¡A la salida del horno, la cinta se presiona mediante un eje calentado a 100 - 120 ° C y se exprime! paso en el volumen de la tela.

La preimpregnación del cuadro de carbono poroso con brea se puede realizar a una presión de 0,5 a 3 MPa, la carbonización a una presión de 100 a 200 MPa y una temperatura de 900 a 1100 °C.

Una característica de CCCM es la porosidad relativamente alta de la matriz de carbono, así como su intersección con grietas en la dirección perpendicular al relleno. Las grietas en la matriz se producen cuando el producto se enfría desde la temperatura de producción (3000 °C) hasta la temperatura ambiente debido a las altas tensiones térmicas. Para eliminar la porosidad, la operación de impregnación-carbonización seguida de grafitización y la operación de impregnación con pirocarbono se repiten varias veces (Fig. 1.31).

Después de repetidas repeticiones del ciclo de impregnación-carbonización, la densidad del material puede alcanzar 2000 - 2100 kg/m 3 . Si la temperatura de procesamiento no supera los 800 - 1500°C, se produce la carbonización del aglomerante ya temperaturas de 2300 - 3000°C se obtiene un material grafitado. La carbonización de la fibra de carbono se lleva a cabo en una corriente de gas inerte o una atmósfera reductora con presión aumentada con isotérmica, dinámica o "calentamiento escalonado"; grafitización - en una atmósfera inerte.

fibras de carbono

Bobinado de bobina 3 \ ^Producción

productos de tejer a granel \ telas

estructuras \

firmware

Impregnación de brea

* Carbonatación

Re-impregnación Re-carbonatación

Grafitización Fig. 1.31. Esquema para obtener CCCM utilizando el método de impregnación.

Se puede implementar un método combinado o complejo para obtener CCCM de acuerdo con los siguientes esquemas:

Impregnación de brea del marco poroso, carbonización bajo presión, compactación adicional de PU de la fase gaseosa;

Compactación del marco de PU desde la fase gaseosa hasta una determinada densidad, impregnación con brea seguida de carbonización, procesamiento mecánico, densificación de PU.

Este método proporciona máxima densidad, altas características físicas y mecánicas y no requiere equipo adicional.

En los casos en que la carbonización de CCCM se realice sin presión

El proceso se puede realizar en torrefacción convencional (cámara de gas)

tazas, cuyo diseño se consideró anteriormente. Producción tecnológica]

CCCM por método de fase líquida en términos de carbonización bajo presión puede<

realizarse mediante prensas.

La grafitización (grafitización) se lleva a cabo en hornos Acheson, cuyo diseño se discutió en capítulos anteriores.

Las propiedades de CCCM varían en un amplio rango. La fuerza del CCCM carbonizado es proporcional a la densidad. Grafitización de carbonizados: nogo CCCM aumenta su resistencia. La fuerza de CCCM basada en CF alto: fuerte es más alta que la fuerza de CM basada en CF de alto módulo, ¡más! nyh a diferentes temperaturas de procesamiento. Las propiedades únicas de CCCM incluyen resistencia a altas temperaturas en medios inertes y reductores. En cuanto a su capacidad para conservar su forma y sus propiedades físicas y mecánicas en estos medios, CCCM supera a los materiales estructurales conocidos. Algunos CCCM, especialmente los obtenidos por carbonización de fibra de carbono a base de polímeros orgánicos, se caracterizan por un aumento de la resistencia con un aumento de la temperatura de funcionamiento de 20 a 2700°C. A temperaturas superiores a 3000°C, los CCCM están operativos por un corto tiempo, ya que comienza la intensa sublimación del grafito. Cuanto más perfecta sea la estructura cristalina del grafito, mayor será la temperatura y menor la tasa de procesos termodestructivos. Propiedades] Cambio de CCCM en el aire con exposición prolongada a temperaturas relativamente bajas. Entonces, ¡a 400 - 650 ° C en el aire se produce! oxidación de CCCM y, como resultado, una rápida disminución de la fuerza como resultado. esos aumentos en la porosidad. La oxidación de la matriz está por delante de la oxidación de HC, e< ли последние имеют более совершенную структуру углерода. Скорость оки>CCCM disminuye con un aumento en la temperatura de su producción y una disminución en el número de defectos. Previene eficazmente la oxidación de CCCM pr< питка их кремнийорганическими соединениями из-за образования карбида оксида кремния.

En la fig. 1.32 se presentan las áreas de aplicación de CCCM.

resistente a las raciones

Arroz. 3.32. Áreas de aplicación de CCCM en condiciones de altas cargas térmicas

Por lo tanto, los CCCM se utilizan en diversas ramas de la tecnología en los casos en que los materiales tradicionales son inoperables, es decir. en condiciones de altas cargas térmicas y en unidades de fricción.

T tecnología compuesta resuelve el problema de obtención de materiales endurecidos. La palabra tecnología proviene de dos palabras griegas: techne - artesanía y logos - palabra, enseñanza. Usualmente en nombres de este tipo, la segunda parte "logía" corresponde al concepto de "ciencia". Por ejemplo, la zoología es la ciencia de los animales, la geología es la ciencia de la estructura de la Tierra. Por analogía, la tecnología debería definirse como la ciencia de la artesanía.

Tecnología compuesta - Sección de tecnología de materiales

La tecnología compuesta es una tarea para un especialista.

1. ¿Cómo garantizar el tendido de fibras en una dirección determinada?
2. ¿Cómo introducir fibras en una matriz para obtener una lámina con la estructura y propiedades requeridas?
3. ¿Cómo evitar el ablandamiento y la destrucción de las fibras en el proceso de fabricación del material y, al mismo tiempo, garantizar su fuerte unión con la matriz?

Cómo orientar las fibras en un composite

Cómo insertar fibras en una matriz

método electroquímico

1. toma mucho tiempo
2. no todos los metales se pueden aplicar de esta manera,
3. es difícil proporcionar la composición deseada de la matriz cuando se trata de aleaciones complejas.

Proyección de plasma de recubrimientos

Laminado de monocapas

Prensado en caliente de monocapas

Tecnología de composites en forma de barra o perfil complejo

complejo robótico para el procesamiento mecánico de productos hechos de materiales compuestos está diseñado para la mecanización y automatización de una de las operaciones más intensivas en mano de obra en el ciclo tecnológico:

• Recorte y eliminación de flash tecnológico.
• Fresado de ranuras, rebajes y posicionadores para elementos empotrados
• Taladrado y fresado a través de agujeros de forma compleja
• Fresado de orificios de gran tamaño (aberturas de ventanas, escotillas, etc.)

complejo robótico le permite brindar las siguientes ventajas:

• Mayor velocidad de procesamiento en comparación con el procesamiento manual
• Alta repetibilidad y calidad de procesamiento
• Fresado con alta calidad de filo “en una sola pasada”
• Mejora de las condiciones de trabajo
• Creación de puestos de trabajo intensivos en conocimientos adicionales

En metodo de contacto Después del moldeado, el material de vidrio se impregna manualmente con resina utilizando una brocha o un rodillo. La impregnación se puede realizar simultáneamente con el enrollado en forma, o por separado. El laminado se lleva a cabo para eliminar el aire del laminado y distribuir uniformemente el aglutinante.

El artículo presenta el estado actual de las tecnologías para la producción de productos a partir de materiales compuestos, incluyendo información sobre las tecnologías utilizadas, software, equipos para crear matrices, equipos para crear productos compuestos, equipos para controlar la geometría de un producto y ensayos no destructivos. .

materiales compuestos

software

equipo de fabricación de matrices

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Un material compuesto es un material cuya estructura consta de varios componentes que difieren en sus propiedades físicas y mecánicas: matrices metálicas o no metálicas con una determinada distribución de endurecedores en ellas, su combinación confiere al material compuesto nuevas propiedades. De acuerdo con la naturaleza de la estructura, los materiales compuestos se dividen en fibrosos, reforzados con fibras continuas y bigotes, materiales reforzados por dispersión obtenidos mediante la introducción de partículas dispersas de endurecedores en la matriz, materiales en capas creados por prensado o laminado de materiales diferentes.

Hoy en día, los materiales compuestos tienen una demanda especial en varias industrias. Los primeros barcos de fibra de vidrio se fabricaron en la segunda mitad de la década de 1930. Desde la década de los 50 la construcción naval en fibra de vidrio se ha generalizado en el mundo, habiéndose construido un número importante de yates, embarcaciones de trabajo y salvamento y barcos de pesca, lanchas de desembarco, etc. Una de las primeras aplicaciones en aviación de los materiales compuestos fue la fabricación de paneles de fibra de carbono en 1967 para el borde de fuga del ala del avión F-111A. En los últimos años, en los productos aeroespaciales, es cada vez más posible encontrar estructuras hechas de un “sándwich” de tres capas con relleno de nido de abeja de aluminio y pieles de fibra de carbono. Actualmente, alrededor del 50% de la masa total de un Boeing 787 o un Airbus A350 está compuesta por materiales compuestos. En la industria automotriz, los materiales compuestos se han utilizado durante mucho tiempo, principalmente se ha desarrollado la tecnología para la fabricación de un kit de carrocería aerodinámica. Los materiales compuestos se utilizan de forma limitada para la fabricación de piezas de suspensión y motor.

Sin embargo, hasta hace poco, las empresas utilizaban principalmente el trazado manual de piezas de compuestos, y la producción en serie de productos manufacturados no requería una automatización profunda de los procesos. Hoy en día, con el desarrollo de la competencia en el mercado, no se puede prescindir de las modernas herramientas de diseño y preparación de la producción, así como de los equipos efectivos para trabajar con composites.

Tecnologías para crear productos a partir de materiales compuestos.

En la mayoría de los casos, se utiliza una resina termoendurecible de curado químico como relleno aglutinante, el proceso de curado se caracteriza por una reacción química exotérmica. Se utilizan principalmente resinas de poliéster, epoxi, fenólicas y de alta temperatura. En la mayoría de los casos, en la fabricación de piezas de configuración compleja, se utilizan tecnologías cuya esencia es colocar una base "seca" seguida de una impregnación con un aglutinante (moldeo "húmedo", bobinado, inyección, Moldeo por transferencia de resina / RTM) o alternativamente colocar una base “seca” con cola de film (impregnación al vacío, Resin Film Infusion / RFI). Existen varias tecnologías principales para la fabricación de piezas a partir de materiales compuestos, incluidos métodos manuales y automatizados:

• impregnación de fibras de refuerzo con material matriz;
• formación en molde de las cintas del endurecedor y de la matriz obtenida por bobinado;
• prensado en frío de componentes seguido de sinterización;
• recubrimiento electroquímico de fibras con posterior prensado;
• deposición de la matriz por proyección de plasma sobre el endurecedor, seguido de compresión;
• soldadura por difusión por lotes de cintas monocapa de componentes;
• laminación conjunta de elementos de refuerzo con una matriz, etc.

Además, se ha generalizado la tecnología de fabricación de piezas mediante preimpregnados (productos semiacabados, que son el material base impregnado con una composición aglomerante).

Software

La tarea de diseñar un producto a partir de materiales compuestos es la correcta selección de una composición que proporcione una combinación de propiedades requeridas en un caso operativo particular. Al diseñar materiales compuestos de polímeros reforzados, se usa ampliamente el procesamiento de datos por computadora, para lo cual se han desarrollado una gran cantidad de productos de software. Su uso permite mejorar la calidad de los productos, reducir la duración del desarrollo y la organización de la producción de estructuras, resolviendo de manera integral, eficiente y rápida los problemas de su diseño racional. Tener en cuenta las cargas desiguales permite diseñar una estructura de casco hecha de un compuesto reforzado con un espesor diferenciado, que puede variar decenas de veces.

Los productos de software modernos se pueden dividir en dos grupos: los que realizan análisis por lotes de laminados en una formulación "bidimensional" o "viga/placa" y en una tridimensional. El primer grupo son programas como Laminator, VerctorLam Cirrus, etc. La solución "tridimensional" es el método de elementos finitos, y hay una gran selección entre los productos de software disponibles. Hay varios productos de software en el mercado de "tecnología de modelado compuesto": FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software), Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.), Helius (Firehole Composites / Autodesk), ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair Ingeniería) y etc.

Casi todo el software especializado de varias empresas tiene la capacidad de integrarse con sistemas CAD de alto nivel: Creo Elements / Pro, Siemens NX, CATIA. En general, el trabajo es el siguiente: se selecciona el material de la capa, se determinan los parámetros generales del paquete de capas, se determina el método de formación de capas, se utiliza el método capa por capa para producir piezas simples, para productos complejos, se utilizan métodos de diseño estructural o zonal. En el proceso de disposición de las capas, se establece su secuencia. Dependiendo del método de producción del producto (replanteo manual, moldeo, replanteo de la cinta, replanteo de la fibra), se realiza un análisis capa por capa del material para detectar posibles deformaciones. La composición de las capas se ajusta al ancho del material utilizado.

Una vez que se completa la formación de capas, el usuario recibe datos sobre el producto, lo que permite utilizarlos para diversos fines, por ejemplo:

• salida en forma de documentación de diseño;
• utilizar como dato inicial para corte de material;
• datos iniciales para un proyector láser para marcar los contornos de los lugares para patrones de colocación.

La transición a tecnologías modernas para diseñar y preparar la producción de productos permite:

• reducir el consumo de materiales compuestos mediante el uso de escariadores y cortadoras de precisión;
• aumentar la velocidad y mejorar la calidad del trazado manual del material mediante el uso de espacios en blanco precisos y proyecciones láser de sus lugares de trazado;
• lograr un alto nivel de repetibilidad del producto;
• reducir la influencia del factor humano en la calidad de los productos fabricados;
• reducción de requisitos a la calificación del personal ocupado con la colocación.

Equipo de fabricación de matrices

Hacer un modelo maestro de madera es un proceso que requiere mucho tiempo y tiempo, para reducir el tiempo de fabricación de la matriz y aumentar la precisión, se utilizan fresadoras CNC de tres / cinco ejes, máquinas de control y medición o escáneres 3D.

La fresadora de pórtico de cinco ejes, (Fig. 1), está disponible solo para grandes fabricantes. Las pequeñas empresas utilizan complejos robóticos de fresado en bloques lineales (unidad de robot lineal) (Fig. 2), o hacen modelos maestros a partir de una pieza de trabajo encolada. En este caso, se toma un marco hueco rígido como base de la pieza de trabajo, que se pega en el exterior y luego se procesa por completo. Las empresas que no tienen la capacidad de procesar todo el producto siguen un camino diferente: primero, se construye un modelo 3D simplificado del producto usando planos en un sistema CAD, y se diseña un marco rígido de madera contrachapada basado en el modelo simplificado. A continuación, toda la superficie exterior se representa en el sistema CAD como el revestimiento del marco interior. Las dimensiones del revestimiento se seleccionan de tal manera que se puedan fresar en una fresadora CNC existente (Fig. 3). Luego, el marco ensamblado con precisión se pega con el revestimiento del modelo. Con este método, la precisión del modelo maestro es menor y se requiere el acabado manual de las juntas del revestimiento, pero esto le permite crear productos cuyas dimensiones superan significativamente las capacidades de las máquinas CNC existentes.

Arroz. 1. Fresadora de cinco ejes MR 125, capaz de procesar piezas con un tamaño de 15x5 m y una altura de hasta 2,5 m

Arroz. 2. Complejo robotizado de fresado Kuka

Arroz. 3. Fresadora de cinco ejes "pequeña"

Equipos para crear composites.

El primer paso en la mecanización del proceso de moldeo fue el uso de máquinas de impregnación que, además de la impregnación, ensamblan tejidos de vidrio o fibra de vidrio en bolsas multicapa con un espesor total de 4 a 5 mm. Para mecanizar procesos, reducir la probabilidad de error del personal y aumentar la productividad, por ejemplo, se utiliza el método de aspersión, que se puede utilizar para obtener revestimiento exterior, paneles de mampara y otras estructuras de fibra de vidrio. El método de proyección permite obtener escuadras de moldeo mecanizadas y proporciona una mayor productividad de mano de obra en comparación con las escuadras de moldeo moldeadas manualmente a partir de tiras de fibra de vidrio o fibra de vidrio. La siguiente etapa en el desarrollo de la producción de productos a partir de materiales compuestos es la introducción de una instalación para el bobinado automático del trazado de rellenos de fibra de carbono. La compañía estadounidense Magnum Venus Plastech demostró el primer "robot" diseñado para colocar tela seca tipo rollo. Por primera vez en Rusia, dicho equipo se presentó en JSC VASO. Este equipo permite producir piezas compuestas de hasta 8 m de largo y hasta 3 m de diámetro (Fig. 4).

Para facilitar la disposición manual de la tela y reducir el desperdicio, se utilizan máquinas de corte para el corte automático de tela/preimpregnado, proyectores láser LAP y LPT para la proyección de contornos cuando se coloca preimpregnado en el equipo de producción. Usando el módulo de proyección láser (Fig. 5), es posible generar automáticamente datos para la proyección directamente desde un modelo 3D de un producto compuesto. Este esquema de trabajo reduce significativamente los costos de tiempo, aumenta la eficiencia del proceso, reduce la probabilidad de defectos y errores y facilita la gestión de datos. El complejo de láser de proyección de máquina de corte de software, en comparación con la colocación tradicional, reduce la intensidad de trabajo de corte en aproximadamente un 50%, la laboriosidad de la disposición en aproximadamente un 30%, aumenta la tasa de utilización de materiales, es decir, puede ahorrar de 15 a 30% del material.

La formación de plásticos reforzados con fibra de carbono por el método de bobinado permite obtener productos con las más altas características de deformación y resistencia. Los métodos de bobinado se dividen en "seco" y "húmedo". En el primer caso, los preimpregnados se utilizan para enrollar en forma de hilos, paquetes o cintas. En el segundo caso, los materiales de refuerzo se impregnan con un aglutinante directamente durante el proceso de bobinado. Recientemente, se ha desarrollado un equipo que utiliza sistemas informáticos para controlar el patrón de orientación de la fibra. Esto permite obtener productos tubulares con curvaturas y formas irregulares, así como productos con geometría compleja. El equipo de bobinado se está desarrollando utilizando tecnología flexible, donde los materiales fibrosos de refuerzo se pueden colocar sobre el mandril en cualquier dirección.

Arroz. Bobinadora de fibra de carbono 4 MAG Cincinnati Viper 1200 FPS

Arroz. 5. Sistema de posicionamiento láser (contorno verde)

Equipo para el control de la geometría y estructura interna del producto.

Los contornos de los productos a menudo tienen generatrices curvilíneas, que no se pueden verificar utilizando los métodos tradicionales de "plaz". Con el escaneo 3D, puede determinar qué tan cerca se parece una muestra física a un modelo de computadora 3D. Para el escaneo 3D, también puede utilizar una máquina de medición por coordenadas (CMM) de tipo brazo o un sistema de escaneo láser/óptico sin contacto. Sin embargo, cuando se utilizan sistemas de escaneo sin contacto, por regla general, no pueden funcionar correctamente con superficies de espejo y de alto brillo. Cuando se utilizan "brazos de medición", se requerirán varios reinicios sucesivos, ya que el espacio de trabajo, debido al diseño de los brazos de medición, suele estar limitado a una esfera con un radio de 1,2 a 3,6 m.

Además, los materiales de fibra de vidrio tienen varias áreas problemáticas. Uno de los principales es el control de calidad del producto terminado (la ausencia de cavidades de aire) y la corrosión durante la operación. Para las pruebas no destructivas de cascos de barcos hechos de compuestos, los rayos X se usan ampliamente, pero tienden a reducirlos por varias razones. Recientemente, han comenzado a aparecer publicaciones que describen la detección de delaminaciones por termografía infrarroja (cámaras termográficas). Al mismo tiempo, tanto los métodos NDT de imágenes térmicas como de rayos X que detectan delaminaciones no permiten medir sus tamaños y determinar la profundidad de los defectos para evaluar su efecto sobre el cambio en las características de resistencia.

Conclusión

En la actualidad, en Rusia, el desarrollo intensivo de la automatización del ensamblaje de productos compuestos, incluidos los equipos para crear matrices, apenas comienza. En la mayoría de los casos, solo se realizan elementos individuales del kit de carrocería aerodinámica para el "ajuste" de los automóviles. La implementación del sistema FiberSIM en el diseño y construcción del dragaminas base del proyecto 12700, así como en la máquina automática de colocación de telas VASO, es un éxito. Pero estos son ejemplos aislados, para aumentar la competitividad es necesaria una introducción integral de nuevas tecnologías.

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