Technologies composites. Technologies de production de fibre de verre. Projection plasma de revêtements

Au cours de cette méthode, des charges pré-préparées sont utilisées. Grâce à cette méthode, une grande homogénéité du produit est garantie en termes de résistance et les indicateurs sont contrôlés. Cependant, la qualité du produit obtenu dépend dans une large mesure de la compétence et de l’expérience des travailleurs.

La production de produits en fibre de verre moulés à la main est divisée en plusieurs étapes. La première étape est appelée étape préparatoire, au cours de laquelle la surface de la matrice du produit attendu est nettoyée, puis dégraissée et enfin une couche de cire antiadhésive est appliquée. A la fin de la première étape, la matrice est recouverte d'une couche protectrice et décorative - le gelcoat. Grâce à cette couche, la surface extérieure du futur produit est formée, la couleur est fixée et la protection contre les effets de facteurs nocifs tels que l'eau, la lumière ultraviolette et les réactifs chimiques. Les matrices négatives sont principalement utilisées pour fabriquer le produit fini. Une fois la couche de gelcoat spéciale séchée, vous pouvez passer à l’étape suivante, appelée moulage. Au cours de cette étape, du verre initialement découpé est placé dans la matrice ; un autre type de charge peut également être utilisé. Vient ensuite le processus de formation du « squelette » du produit attendu. Ensuite, la résine avec le catalyseur, pré-mélangée, est appliquée sur le matériau de verre préparé. La résine doit être répartie uniformément à l'aide de pinceaux et de rouleaux souples sur toute la matrice. Étape finale peut être appelé rouler. Il est utilisé pour éliminer les bulles d'air d'un stratifié qui n'a pas encore durci. S'ils ne sont pas retirés, cela affectera la qualité du produit fini, le stratifié doit donc être roulé avec un rouleau dur. Une fois le produit fini durci, il est retiré du moule et soumis à un usinage qui comprend le perçage de trous, la coupe de l'excédent de fibre de verre sur les bords, etc.

Avantages de cette méthode :

• existe réelle opportunité obtenir le produit forme complexe et de taille considérable avec un investissement minimal ;
• la conception du produit peut être facilement modifiée, puisque des pièces et des raccords intégrés sont introduits dans le produit, et que le prix de l'équipement et de l'équipement requis est assez bas ;
• Pour fabriquer la matrice, on utilise n'importe quel matériau capable de conserver ses proportions et sa forme.

Inconvénients de cette méthode :

• des coûts importants travail manuel;
• la productivité est assez faible ;
• la qualité du produit dépendra des qualifications du mouleur ;
• Cette méthode convient à la fabrication de produits à petite échelle.

2. Pulvérisation.

Cette méthode convient aux petites et moyennes productions. La méthode de pulvérisation présente de nombreux avantages par rapport au moulage par contact, même si l'achat d'équipement pour cette méthode entraîne certains coûts.

Une installation spéciale vous permet d'appliquer revêtement de protection et du plastique. De ce fait, il n'est pas nécessaire de découper au préalable le matériau ni de préparer le liant, ce qui réduit considérablement la part du travail manuel. Des installations spéciales comptent automatiquement et avec précision les doses de résine et de durcisseur, et coupent également la mèche en morceaux tailles requises(0,8 à 5 cm). Après le processus de coupe, des parties du fil doivent tomber dans le flux de liant et devenir saturées lors du transfert vers la matrice. Grâce à un travail manuel, le processus de compactage de la fibre de verre dans la matrice est effectué à l'aide d'un rouleau roulant.

De nombreux avantages dans la production de fibre de verre par pulvérisation :

• le temps est gagné et zones utilisables du fait qu'il n'est pas nécessaire de couper le matériau et de préparer le liant ;
• il est possible de réduire le nombre de zones de production en réduisant le nombre d'endroits spécialement aménagés pour le moulage ;
• la vitesse de moulage du produit augmente ;
• le contrôle de la qualité des produits est simplifié ;
• fonds salaires des économies importantes;
• en raison du fait que la itinérance est relativement matériel peu coûteux, le coût du produit obtenu est alors considérablement réduit.

Lorsque le liant est préparé en petites quantités, lors du moulage manuel, jusqu'à 5 % du liant reste sur les outils et les parois du récipient, ce qui est tout à fait peu économique. On sait que la qualité du produit obtenu dépendra de la compétence et de l'expérience de l'opérateur de l'installation. Cette méthode utilise le même outillage que lors du moulage manuel.

3. Pultrusion.

La technologie Pultrusion est basée sur la production continue de produits profilés orientés uniaxialement à partir de plastiques fibreux. Un produit profilé à section constante en matériel approprié C'est exactement ce que l'on peut obtenir par pultrusion.

Grâce à une machine de pultrusion spéciale, un profilé en fibre de verre est réalisé. Une telle machine se compose d'une section d'alimentation en matériaux de renforcement, d'une filière, d'une section d'imprégnation, d'une unité de tirage et d'une unité de contrôle. éléments chauffants et de la section de parage. Il est préférable de renforcer l'emballage de fibres orientées à l'état sec et de l'imprégner d'une composition polymère pompée à travers l'emballage sec. Grâce à cette technologie, l’air ne pénètre pas dans le matériau. L'excès de résine reviendra dans la poêle et sera recyclé. Le roving, qui est utilisé comme matériau de renforcement, est déroulé des bobines à l'état sec et rassemblé en paquet d'une manière spéciale. Ensuite, le matériau entre dans le dispositif d'imprégnation - il s'agit d'un bain spécial de résine, où il est complètement humidifié avec du polyester, de l'époxy ou un autre liant. Ensuite, le matériau déjà imprégné est envoyé dans une filière chauffée dont la tâche est de former la configuration du profilé. Ensuite, la composition durcit à la température spécifiée. Le résultat est un profilé en fibre de verre dont la configuration épouse la forme de la matrice.

Il a été prouvé que les produits fabriqués par pultrusion possèdent des propriétés supérieures aux pièces fabriquées par les méthodes de moulage classiques. L'augmentation du coût de cette méthode est due à un certain nombre d'avantages caractéristiques de ce procédé. Les avantages incluent un contrôle strict de la tension et de la directionnalité des fibres, une réduction des pores et le maintien d'une teneur constante en fibres dans le composite. Il est évident que même la propriété de cisaillement intercouche est nettement améliorée. Sur ce moment Plusieurs variantes du procédé de pultrusion de base ont été développées, qui intéressent beaucoup et comptent beaucoup pour l'industrie. Leurs avantages sont de bonnes propriétés électriques, physiques, chimiques et thermiques, des performances élevées et une excellente tolérance dimensionnelle. L'un de ces procédés de pultrusion est précisément destiné à la réalisation de produits semi-finis permanents en plaques et feuilles.

Cependant, chaque méthode a ses inconvénients. Cette méthode se caractérise par un inconvénient tel que la rapidité du processus, qui dépendra de la température et de la vitesse de durcissement du liant. Il est généralement faible pour les résines polyester peu résistantes à la chaleur. Un autre inconvénient est qu'il est difficile de fournir une section transversale constante du produit sur sa longueur, à l'exception des produits dont la forme transversale n'est pas particulièrement complexe - carrée, ronde, poutre en I et autres. Pour obtenir le produit, vous devez utiliser uniquement des fils ou des brins. Cependant, ces inconvénients du procédé de fabrication de produits profilés ont récemment été progressivement éliminés et l'utilisation de ce procédé s'est sensiblement développée. Composition à base d'éthers polyvinyliques et résines époxydes ah sont utilisés comme matrices polymères. L'utilisation de telles matrices polymères à base de polysulfone, polyéthersulfone et polyimide plastifié permet d'atteindre une vitesse de moulage de joncs d'un diamètre d'environ cinq mm à une vitesse d'environ cent deux m/min.

Pour obtenir des produits profilés renforcés complexes, il est nécessaire d'utiliser la méthode d'étirage de matériaux en couches constitués de nattes ou de tissus fibreux. Actuellement, des procédés ont été développés pour produire des produits tubulaires combinant l'enroulement d'une couche en spirale et le brochage. Lames éoliennes qui a profil complexe coupe transversale, peut être cité comme exemple d'utilisation de matériaux ayant circuit complexe renforcement Des équipements de formage de produits semi-finis pour tôles ont déjà été développés. ressorts de voiture, qui ont une surface courbe et une section transversale variable.

4. Enroulement.

L'une des méthodes les plus prometteuses pour le moulage de produits en fibre de verre est la méthode d'enroulement des fibres, car elle crée la structure de charge requise dans les produits en fonction de leur forme et de leurs caractéristiques de fonctionnement. Grâce à l'utilisation de brins, de rubans, de fils comme charges, il assure une résistance maximale des produits. De plus, ces charges sont les moins chères.

Le processus d'enroulement de fibres peut être décrit comme une méthode relativement simple dans laquelle un matériau de renforcement sous la forme d'une mèche permanente (étoupe) ou d'un fil (fil) est enroulé sur un mandrin rotatif. Des mécanismes spéciaux surveillent l'angle d'enroulement et l'emplacement du matériau de renforcement. Ces appareils se déplacent à une vitesse qui correspond à la rotation du mandrin. Le matériau est enroulé autour du mandrin sous forme de bandes se touchant ou selon un motif spécial jusqu'à ce que la surface du mandrin soit complètement recouverte. Des couches successives peuvent être appliquées sous un angle ou à différents angles enroulement jusqu'à ce que l'épaisseur requise soit atteinte. L'angle d'enroulement varie de très petit, appelé longitudinal, à grand circonférentiel. Cette disposition implique 90 0 par rapport à l'axe du mandrin, couvrant tous les angles de spirale de cet intervalle.

La résine thermodurcissable sert de liant au matériau de renfort. Dans le processus de bobinage humide, la résine est appliquée directement pendant le bobinage lui-même. Le processus de bobinage à sec est basé sur l'utilisation de mèches pré-imprégnées de résine au stade B. Le durcissement s'effectue à température élevée sans excès de pression. La dernière étape du processus consiste à retirer le produit du mandrin. Si nécessaire, des opérations de finition peuvent être réalisées : usinage mécanique ou meulage. Le processus de bobinage de base se caractérise par de nombreuses options, qui diffèrent uniquement par la nature du bobinage, ainsi que par les caractéristiques de conception, la combinaison de matériaux et le type d'équipement. La structure doit être enroulée comme sur une surface de rotation. Il est cependant possible de mouler des produits d'un autre type, par exemple en comprimant une partie enroulée encore non durcie à l'intérieur d'un moule fermé.

La conception ressemble à un cylindre, un tuyau ou un tube lisse dont le diamètre varie de plusieurs centimètres à plusieurs dizaines de centimètres. Le bobinage permet de former des produits de formes coniques, sphériques et géodésiques. Pour obtenir des navires haute pression et les réservoirs de stockage, un embout doit être inséré dans le bobinage. Il est possible de former des produits qui fonctionneront dans des conditions de charge non standard, par exemple une pression externe ou interne, des charges de compression ou un couple. Les tuyaux thermoplastiques et les récipients métalliques haute pression sont renforcés lorsqu'ils sont enroulés avec des bandes externes. Les produits résultants sont caractérisés haut degré précision. Cependant, le processus de bobinage présente un autre aspect : ce processus se caractérise par des vitesses de production plus faibles. L'avantage est que absolument tout matériau de renforcement permanent convient au bobinage.

Des machines peuvent être utilisées pour le processus de bobinage différents types: depuis divers tours et machines à chaîne jusqu'aux unités informatisées plus complexes caractérisées par trois ou quatre axes de mouvement. Des machines qui produisent en continu des tuyaux sont également utilisées. Pour faciliter le bobinage des grands réservoirs, des équipements portables doivent être conçus sur le site d'installation.

Les principaux avantages de la méthode de bobinage :

• une méthode de pose de matériau rentable d'un point de vue économique en raison de la rapidité du processus ;
• possibilité d'ajuster le rapport résine/verre ;
• faible poids mort, mais haute résistance ;
• cette méthode n'est pas sujette à la corrosion et à la pourriture ;
• matériaux relativement peu coûteux ;
• bonne structure des stratifiés, grâce au fait que les profilés ont des fibres directionnelles, et bonne teneur en matériaux verriers.

5. En appuyant sur.

Le processus de pressage consiste à conférer directement la forme désirée produit sous l'influence d'une haute pression, qui se forme dans le moule à une température de durcissement rapide du matériau. Grâce à pression extérieure dans le matériau pressé, il se produit un compactage et une déstructuration partielle de la structure précédente. Le frottement entre les particules de matériau en contact, qui se forme lors du compactage, provoque la génération d'énergie thermique, qui conduira certainement à la fusion du liant. Une fois que le matériau entre dans un état viscoplastique, il se répand dans le moule sous pression, formant une structure cohérente et compactée. Le processus de durcissement est basé sur la réaction de réticulation des macromolécules due à la polycondensation entre les groupes libres du liant. La réaction nécessite de la chaleur, au cours de laquelle des substances volatiles de faible poids moléculaire sont libérées, telles que le méthanol, l'eau, le formaldéhyde, l'ammoniac, etc.

Paramètres pour la technologie de pressage direct :

• température de préchauffage ;
• pression pressante;
• température de pressage ;
• exposition temporaire sous pression;
• paramètres de prépresse ;

La pression agit directement sur le matériau dans la cavité du moule lors du pressage direct, de sorte que les pièces du moule peuvent s'user prématurément. Selon la taille du produit, le cycle de pressage peut varier de 4 à 7 minutes. Le pressage direct des plastiques destinés au renforcement est de deux types, qui dépendent de la manière dont la charge fibreuse est imprégnée :

• Les toiles et tissus secs et pré-imprégnés sont pressés ;
• Ils sont pressés avec imprégnation exactement dans le moule.

La première méthode est plus populaire. Pour fabriquer des produits de formes relativement simples, le pressage direct est utilisé. En raison des exigences élevées imposées à la qualité de la surface extérieure de la pièce, des installations automatiques ont été créées pour le dosage des composants lors de la préparation des flans préimprégnés. Des manipulateurs automatiques spéciaux ont été conçus pour charger des paquets de flans dans des moules de presse multi-empreintes. La nouvelle génération de presses de haute précision est équipée de systèmes modernes contrôle, grâce auquel il est possible d'obtenir des pièces avec une surface de haute qualité, et leur coût est approximativement le même que celui des pièces en acier.

6. Technologie SMC.

Un obstacle majeur à la diffusion des matériaux composites est leur faible adaptabilité technologies traditionnelles leur production aux besoins d'une production moderne à grande échelle, également entièrement automatisée. Aujourd’hui, les pièces composites restent encore des « marchandises à la pièce ». Le travail coûteux du personnel expérimenté contribue contribution élevéeà une fraction du coût de ces matériaux. Malgré cela, pour dernières années Nous avons réalisé des progrès significatifs dans la préparation de méthodes automatisées de production de composites. La technologie SMC est devenue l'un des développements les plus populaires.

Les produits finaux utilisant cette technologie sont soumis à un processus en deux étapes. La première étape de la technologie est caractérisée par le fait que le préimprégné est produit sur une unité de convoyeur automatique, et déjà dans la deuxième étape, le préimprégné est traité dans des moules en acier dans pièces finies. Décrivons ces étapes plus en détail. La résine polyester insaturée est utilisée comme base pour le liant. Ses avantages incluent bas prix et un temps de durcissement court. Le composant de renforcement est de la fibre de verre hachée, répartie de manière aléatoire dans tout le volume de la feuille. Stockage à long terme pendant plusieurs mois à température ambiante grâce au système de durcissement de la résine. Les épaississants chimiques augmentent la viscosité du liant après l'imprégnation de la fibre de verre de plusieurs ordres de grandeur, améliorant ainsi l'aptitude à la fabrication du préimprégné et augmentant également sa durée de conservation. Les charges minérales introduites dans le liant grandes quantités, augmente la résistance au feu produits finis et, et la qualité de leur surface s'améliore sensiblement.

Le préimprégné obtenu peut être traité automatiquement grâce au pressage dans des moules en acier chauffés. Ces moules sont de conception similaire aux moules d’injection pour thermoplastiques. Grâce à la formulation du liant, le préimprégné durcit à une température de 150 C et une pression de 50-80 bar à une vitesse de ~30 sec/mm d'épaisseur. Un très faible retrait de durcissement est caractéristique importante Technologies SMC. En raison de la teneur élevée en charge minérale et en additifs thermoplastiques spéciaux, le retrait peut atteindre 0,05 %. Les produits résultants ont une résistance aux chocs de 50 à 100 kJ/m2 et une résistance à la flexion destructrice de 120 à 180 MPa. Il est économiquement possible d'utiliser la technologie SMC pour obtenir des produits de haute qualité. produits composites en grandes quantités de plusieurs milliers à des centaines de milliers par mois. Des centaines de milliers de matériaux similaires sont produits chaque année sur le marché européen. Les industries de l’énergie électrique, de l’automobile et du ferroviaire sont les plus gros consommateurs de ces matériaux.

7. Méthode RTM (Resin Transfer Moulding).

La méthode RTM est basée sur l'imprégnation et le moulage par injection de composites, au cours desquels le liant est transféré dans une matrice fermée contenant déjà des charges ou des préformes. Divers tissus de diverses armures peuvent agir comme matériau de renforcement, par exemple un matériau multi-axial ou en émulsion et des mats de verre en poudre. Le liant est une résine qui gélifie en 50 à 120 minutes et possède une faible viscosité dynamique. GOST 28593-90 détermine la viscosité et le temps de gélification de la résine.

Cette méthode est parfaite pour des volumes standards de 500 à 10 000 produits par an. La conception de la matrice est constituée de formes composites ou en acier qui répètent les contours extérieurs de la pièce des deux côtés. Les structures ont des propriétés à haute température qui sont maintenues en place par l'alignement précis des cadres en acier fermés soutenus aux points de serrage.

Cette méthode est idéale pour la réalisation de matrices de 0,2m2 à 100m2. La conception matricielle se compose de formes composites ou en acier. La matrice de circuit se compose d'une conception plus légère et plus flexible. Les moitiés de la matrice sont reliées les unes aux autres sous l'influence du vide.

Avantages de la technologie RTM :

• la production automatisée, qui réduit le caractère aléatoire de l'intervention humaine ;
• il y a une réduction et un contrôle de la quantité de matières premières utilisées ;
• l'impact du matériau sur l'environnement est réduit ;
• les conditions de travail ont été améliorées ;
• des produits relativement durables sont créés grâce à une meilleure imprégnation ;
• équipement relativement bon marché.

Complexe robotique Pour usinage produits de matériaux composites conçu pour la mécanisation et l'automatisation de certaines des opérations les plus exigeantes en main-d'œuvre du cycle technologique :

• Couper et supprimer le flash technologique
• Fraisage de rainures, d'évidements et de positionneurs pour éléments encastrés
• Perçage et fraisage de trous de formes complexes
• Fraisage de trous grandes tailles(ouvertures de fenêtres, trappes, etc.)

Complexe robotique vous permet de bénéficier des avantages suivants :

• Vitesse de traitement accrue par rapport aux méthodes manuelles
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• Améliorer les conditions de travail
• Création d’emplois supplémentaires à forte intensité de connaissances

À Méthode de contact Lors du moulage, la matière verrière est imprégnée manuellement de résine à l'aide d'un pinceau ou d'un rouleau. L'imprégnation peut être réalisée simultanément au laminage dans le moule, ou séparément. Le laminage est effectué pour éliminer l'air du stratifié et répartir uniformément le liant.

Les fusées, l'astronautique, la construction aéronautique, l'énergie nucléaire, le génie chimique, les véhicules automobiles, la construction navale, l'électronique et de nombreuses autres industries nécessitent des matériaux à haute résistance, résistance à la chaleur, résistance à la chaleur et résistance à la chaleur (bonne résistance à la propagation des fissures), faible densité, réglable dans une large gamme d'indicateurs de conductivité thermique et électrique, de caractéristiques optiques et magnétiques particulières, etc. De nombreux matériaux industriels existants ne le peuvent plus ! satisfaire ces demandes.

Un matériau présentant un complexe de telles caractéristiques ne peut être obtenu que T base de compositions. Les matériaux composites (CM) sont des matériaux constitués de deux ou plusieurs composants (les composants de renforcement et la matrice qui les relie) et possédant des propriétés spécifiques qui diffèrent des propriétés totales de ces composants.

Si l'un des composants CM est continu dans tout le volume, et l'autre est discontinu, déconnecté dans le volume de la composition, alors le premier composant est appelé matrice, et le second est appelé renfort ou élément de renfort. Les composants de renforcement peuvent être une variété de fibres, poudres, microsphères, cristaux et moustaches constitués de matériaux organiques, inorganiques, métalliques ou céramiques. En tant que matrice tu thé

des substances synthétiques de haut poids moléculaire de diverses compositions chimiques sont utilisées.

Le premier créateur de matériaux composites fut la nature elle-même. Par exemple, le bois est une composition constituée de faisceaux de fibres tubulaires de cellulose à haute résistance reliées entre elles par une matrice de matière organique (lignine), qui confère au bois une rigidité latérale.

Les composants des composites ne doivent pas se dissoudre ou s’absorber mutuellement. Ils doivent avoir une bonne adhérence et être mutuellement compatibles. Les propriétés d'un CM ne peuvent pas être déterminées uniquement par les propriétés des composants, sans prendre en compte leur interaction. Chaque composant a une fonction spécifique et contribue aux propriétés du composite. Considérons les exigences relatives aux charges de renforcement, par exemple les fibres.

La forme filiforme des éléments de renfort a à la fois des propriétés positives et côtés négatifs. L'avantage des fibres réside dans leur haute résistance et leur capacité à créer un renforcement uniquement dans la direction dans laquelle cela est structurellement requis. L'inconvénient de cette forme est que les fibres ne peuvent transférer la charge que dans la direction de leur axe, alors qu'il n'y a pas de renforcement dans la direction perpendiculaire et, dans certains cas, même un ramollissement peut se produire.

Les fibres utilisées comme charges de renforcement doivent avoir propriétés suivantes: point de fusion élevé, faible densité, haute résistance sur toute la plage de température de fonctionnement, absence de toxicité lors de la fabrication et de l'exploitation.

Trois types de charges sont principalement utilisés : les whiskers, les fils métalliques et les fibres inorganiques polycristallines.

Les moustaches (« moustaches ») sont considérées comme un matériau prometteur pour renforcer les matrices en métaux, polymères et céramiques. Ultra haute résistance dans une large plage de température à faible densité, inertie chimique vis-à-vis de nombreux matériaux de matrice. rials, haute résistance à la chaleur et résistance à la corrosion des cristaux de moustaches d'oxydes d'aluminium et de magnésium, le carbure de silicium en font des éléments de renforcement irremplaçables. Malheureusement, de nombreuses difficultés font encore obstacle à leur application pratique. Il est nécessaire de résoudre les problèmes de leur obtention à l'échelle industrielle, de la sélection des « moustaches » adaptées, de leur orientation dans la matrice et des méthodes de formation des compositions à « moustaches ».

Le fil métallique en acier, tungstène, molybdène et autres métaux est moins prometteur que les « moustaches » en raison de sa densité élevée et de sa moindre résistance. Cependant, son coût est relativement faible et il est largement utilisé comme renfort, notamment pour les matériaux composites à base métallique.

Les fibres inorganiques polycristallines sont produites en grande quantité. L'inconvénient de ces fibres est leur très grande sensibilité à dommages mécaniques. Faible densité, haute résistance et résistance chimique du carbone, du bore, du verre, du carbure de silicium. le quartz et d'autres fibres leur permettent d'être largement utilisés pour renforcer les plastiques,

Les fibres de carbone font partie des éléments de renforcement les plus prometteurs. Ils ont une faible densité (1 430 - 1 830 kg/m3), une résistance élevée (3,5 GPa) et un module élastique (250 - 400 GPa).

Généralement, les fibres de carbone sont divisées en deux types principaux : les fibres à haute résistance et les fibres à haute élasticité. En production, des fibres à haute résistance sont principalement produites. La résistance de ces fibres au stade initial de développement était de 2,5 GPa. Grâce aux améliorations technologiques (prétraitement, fibres ignifuges, carbonisation et finition), la résistance a été augmentée, par ex. matériau ordinaire jusqu'à 3,5 GPa.

Des études ont montré qu'avec l'augmentation de la résistance des fibres, la résistance du matériau composite augmente généralement de manière linéaire. , : ;.,

Généralement, les fibres de carbone à haute résistance sont produites à une température de carbonisation de 1 000 à 1 500 °C ; elles ont un module élastique de 2 250 à 2 350 N/mm 2 ; Entre 2 000 et 3 000°C, des fibres avec un module élastique plus élevé peuvent être obtenues grâce au processus de graphitisation.

Jusqu'à récemment, les fibres de carbone et les tissus fabriqués à partir de celles-ci étaient utilisés pour fabriquer des matériaux de protection thermique. Cependant, amélioration. Cette technologie de production de fibres fines alliant résistance et rigidité élevées à d'autres propriétés particulières (résistance à la chaleur, conductivité électrique, etc.) a permis de créer des métaux et des plastiques renforcés de fibres de carbone, caractérisés par une faible rigidité et une haute résistance. De telles compositions sont de plus en plus utilisées dans la technologie spatiale, des fusées et de l'aviation. Les fibres de carbone les plus couramment utilisées sont la viscose et le polyacrylonitrile.

Selon la teneur en carbone, les fibres de carbone sont divisées en trois groupes :

carbonisé (pas plus de 95 % en poids C) ; - charbon (91-98 % en poids C) ;

graphite (plus de 98 % en poids C).

La fibre de carbone rigide est obtenue si le processus technologique est conçu de manière à ce que le nombre maximum de couches de base soit parallèle à l'axe de la fibre. Pour augmenter la résistance des fibres de carbone, la taille des cristallites ayant une structure plus avancée doit être réduite. Les méthodes technologiques qui confèrent aux fibres de carbone une rigidité et une résistance supplémentaires comprennent leur dopage avec du bore par diffusion à partir de la phase gazeuse, l'irradiation des fibres avec des neutrons dans un réacteur nucléaire, l'introduction de borax avant la pyrolyse, ainsi que l'étirement dans les processus d'oxydation et de graphitisation. .

S'il existe des microdéfauts dans les fibres minces qui provoquent des concentrations locales de contraintes, la résistance des fibres de carbone diminue. La défectuosité des fibres provoque une dépendance linéaire de leur résistance à la longueur : avec l'augmentation de la longueur, la résistance diminue considérablement et le module élastique augmente légèrement. Selon le niveau de propriétés mécaniques, les fibres de carbone sont divisées en trois groupes : faible, moyen, élevé (tableau 1.5)

Tableau 1.5 Propriétés mécaniques des fibres de carbone

Groupe Densité Résistance Module élastique

y, g/cm 3 a, GPa E, GPa

Faible 18 14 42

Moyenne 18 14 175

Haut 18 25 420

Les inconvénients des fibres de carbone incluent leur tendance à s'oxyder dans l'air, leur activité chimique lors de l'interaction avec les matrices métalliques et leur adhésion relativement faible aux matrices polymères.

Le traitement de surface des fibres est un procédé important du point de vue de l'augmentation de leur adhésion à la matrice. Généralement, la surface des fibres de carbone est traitée en les oxydant en phase gazeuse.

Les caractéristiques des fibres de carbone sont affectées par la présence de métaux et autres substances inorganiques. En particulier, la teneur en métaux alcalins tels que le sodium et le potassium a un effet négatif sur la résistance à l'oxydation lorsqu'elle est chauffée, tandis que le phosphore et le bore ont un effet positif.

Tous les matériaux composites sont divisés en isotropes et anisotropes. Les matériaux isotropes comprennent des matériaux qui ont les mêmes propriétés dans toutes les directions, tandis que les matériaux anisotropes ont des propriétés différentes.

Les éléments de renforcement peuvent avoir une forme de base à peu près égale ou être des particules courtes (discrètes) en forme d'aiguille, orientées de manière aléatoire dans l'espace. Des segments de fibres ou « moustaches » sont généralement utilisés comme telles particules. Dans ce cas, les CM s'avèrent quasi-isotropes, c'est-à-dire anisotrope en microvolumes, mais isotrope dans le volume du produit entier.

Les CM anisotropes comprennent des matériaux dont les fibres sont orientées dans certaines directions – unidirectionnelles, en couches et renforcées tridimensionnellement. Des images de CM anisotrope sont données sur la Fig. 1.24, 1.25.

Riz. 1.24. Représentation schématique de la structure du CM avec pose de fibres transversales

avec longitudinal

Riz. 1.25. Représentation schématique de la structure d'un CM unidirectionnel (zones noires - fibres ; blanc - matrice)

L'anisotropie technologique se produit lors de la déformation plastique de matériaux isotropes (métaux). L'anisotropie physique est caractéristique des cristaux en raison des caractéristiques structurelles de leur réseau cristallin.

En technologie, on utilise généralement des CM anisotropes présentant une certaine symétrie des propriétés.

Un rôle tout aussi important dans les compositions renforcées est joué par la matrice, qui donne sa forme au produit et rend le matériau monolithique. En combinant de nombreuses fibres en un seul tout, la matrice doit permettre à la composition d'absorber différents types de charges externes - tension, compression, flexion, cisaillement, etc. En même temps, elle participe à la création de la capacité portante du composition, assurant le transfert des forces vers les fibres. En raison de la plasticité de la matrice, les forces exercées par les fibres endommagées ou discrètes (courtes) sont transférées aux fibres voisines et la concentration de contraintes à proximité de divers types de défauts diminue. La matrice joue également le rôle d'un revêtement protecteur qui protège les fibres des dommages mécaniques et de l'oxydation. De plus, la matrice doit assurer la résistance et la rigidité du système sous l'action de charges de traction ou de compression dans la direction perpendiculaire aux éléments de renforcement. Si la charge de traction est dirigée le long de l'axe des fibres parallèles entre elles, alors pour obtenir l'effet de renforcement, l'allongement relatif maximum de la matrice doit être au moins égal à l'allongement relatif des fibres. Si la charge est perpendiculaire à l’axe des fibres, cela ne suffit pas. Dans ce cas, la charge sur les fibres est transmise uniquement à travers la matrice, et plus la concentration de fibres et le rapport des modules élastiques des matériaux fibreux et matriciels sont élevés, plus la déformation maximale de la matrice doit être grande. Travaux d'évaluation, réalisés sur des modèles élastiques, montrent que pour assurer la solidité du CM sous chargement transversal, il faut des matrices dont l'allongement relatif est plusieurs fois supérieur à la déformation moyenne des fibres.

Le désir d'obtenir une résistance maximale de la composition provoque une tendance à augmenter la fraction volumique des fibres. Cependant, si l'allongement relatif de la matrice est faible, alors dans le cas grandes valeurs de cette fraction, la solidité du CM peut être perturbée même sous de faibles charges : des délaminages et des fissures apparaîtront. Il s'est avéré que plus la matrice est plastique, plus l'épaisseur de la couche matricielle entre les fibres est autorisée et plus de fibres peuvent être introduites dans le CM.

Selon le matériau de la matrice, tous les CM peuvent être divisés en trois groupes : compositions à matrice métallique - matériaux composites métalliques (MCM), à matrice polymère - matériaux composites polymères (PCM) et à matrice céramique - matériaux composites céramiques (CCM ).. Les CM polymères sont généralement appelés en fonction du matériau des fibres de renfort : ceux renforcés de fibres de verre sont appelés plastiques à base de fibre de verre (fibre de verre), ceux métalliques - plastiques métalliques (fibres métalliques), organiques - organoplastiques (organofibres), bore - bore plastiques (fibres de bore), carbone - plastiques carbone (fibres de carbone), etc.

Il n’existe pas encore de règles de dénomination clairement établies pour les CM en métal et en céramique. Le plus souvent, le matériau matriciel est écrit en premier, puis le matériau fibreux. Par exemple, la désignation « cuivre-tungstène » (Cu-W) fait référence à un CM avec une matrice en cuivre et des fibres de tungstène. Mais dans la littérature, le matériau fibreux est parfois indiqué en premier, puis la matrice.

Les matériaux composites polymères sont les plus répandus par rapport aux autres en raison de leur facilité de fabrication, de leur fabricabilité, de leur faible coût et de leur faible densité. Leur principal inconvénient est la plage de température de fonctionnement limitée. Les liants polymères modernes (matrices) peuvent garantir la performance des produits jusqu'à des températures ne dépassant pas 300 - 400°C.

En fonction de leur comportement lors du chauffage et du refroidissement, les liants polymères sont généralement divisés en thermoplastiques et thermodurcissables. Les propriétés des liants polymères thermoplastiques permettent de fabriquer des produits à partir de ceux-ci par moulage par injection, extrusion, pulvérisation et d'utiliser largement des équipements automatisés dans leur production. Les macromolécules de polymères thermoplastiques ont une structure linéaire et sont obtenues à partir de monomères comportant deux groupes fonctionnels liés l'un à l'autre par de fortes liaisons covalentes. Les chaînes macromoléculaires sont reliées entre elles par de faibles forces de Van der Waals.

Les oligomères thermodurcissables sous l'influence de la chaleur, des durcisseurs et des catalyseurs se transforment en un état solide (durcissent). Ce processus est irréversible. Les oligomères sont facilement solubles dans certains solvants (alcool, acétone, etc.), mais après durcissement, ils ne le sont plus. Les résines thermodurcissables sont produites à partir de monomères ayant plus de deux groupes fonctionnels. Au cours du processus de durcissement, les monomères se développent dans trois directions, formant des macromolécules dotées d'une structure en réseau, dont tous les éléments structurels sont reliés les uns aux autres par de fortes liaisons covalentes.

Le composant principal du liant polymère est la résine. La température de ramollissement, la solubilité, la viscosité et les propriétés finales du liant dépendent de sa nature, de sa réactivité, de son poids moléculaire et de sa structure moléculaire. Outre la résine, le liant peut comprendre : des catalyseurs ou initiateurs, qui sont ajoutés aux résines en petites quantités pour favoriser leur durcissement ; des plastifiants, qui confèrent au polymère une réserve de plasticité et d'élasticité ; des colorants qui colorent le matériau de la couleur souhaitée ; des stabilisants qui empêchent la décomposition des polymères sous l'influence de rayonnement lumineux et des températures élevées.

Dans la grande majorité des cas, les résines thermodurcissables sont utilisées comme liants pour les MCP structurels fonctionnant sous charges. Les résines les plus largement utilisées dans la production de PCM structurels sont les résines époxy, polyester, phénoliques, organosiliciées et polyimide.

Les résines époxy représentent 90 % des résines utilisées comme liants* des nouveaux MCP. Selon le type de durcisseur et sa quantité, les résines époxy peuvent être durcies à température ambiante ou élevée. Dans le premier cas, on parle de résines durcissant à froid, dans le second, de résines durcissant à chaud.

Les résines époxy se caractérisent par leurs propriétés universelles. Ils ont un faible retrait, une bonne adhérence à diverses charges, des propriétés mécaniques élevées, une faible absorption d'humidité et peuvent être traités à température ambiante et faire varier le temps de durcissement et la température sur une large plage. Des solvants, des modificateurs et des plastifiants peuvent être ajoutés pour modifier la viscosité, la résistance chimique et la ductilité du polymère non durci. Lorsqu'ils sont traités thermiquement, il n'y a pas de dégagement de produits de réaction volatils. Elles sont un peu plus chères que les résines polyester et phénoliques, mais cela est compensé par leurs meilleures qualités technologiques et performantes.

Typiquement, les CM à base de résines époxy sont utilisées jusqu'à 150°C. Ces dernières années, de nouvelles résines époxy plus résistantes à la chaleur ont été développées, qui permettent de les utiliser en HLM fonctionnant à 200°C et plus.

Une qualité très importante des résines époxy d'un point de vue technologique est leur capacité à rester longtemps à l'état semi-durci, ce qui permet de fabriquer des tissus, rubans et fils pré-imprégnés et partiellement durcis (« préimprégnés » ) sur leur base, puis obtenir des produits.

Les résines polyester sont des produits de polycondensation d'acides dicarboxyliques insaturés (principalement maléique et méthacrylique) avec des alcools polyhydriques ou insaturés (diéthylèneglycol, triéthylèneglycol, etc.). À la suite de la polymérisation, un polymère solide insoluble avec une structure tridimensionnelle se forme. Les liants polyester ont été développés bien avant les liants époxy, et les premiers CM structurels ont été réalisés sur cette base.

Les principaux avantages des liants polyester sont leur faible coût et leur facilité de manipulation. Mais elles sont moins résistantes, ont une moins bonne adhérence à la plupart des fibres, sont plus cassantes, présentent un retrait de durcissement plus important et ont une durée de vie en pot inférieure à celle des résines époxy.

Les résines phénoliques sont obtenues par polycondensation de phénols (hydroxybenzène, crésol, résorcinol...) avec des aldéhydes (furfural, formaldéhyde...). Ces résines sont de couleur foncée et ont une résistance accrue aux températures élevées par rapport aux liants évoqués précédemment.

Les résines phénoliques subissent trois étapes lors du durcissement :

"A" - la formation de résol - un produit de condensation initiale qui n'a pas de réticulation et est capable de se dissoudre dans l'alcool, l'acétone et d'autres solvants ;

"B" - la formation de résitol - un produit dans lequel la formation de liaisons croisées a commencé. Le résitol se comporte comme une résine thermoplastique : il se ramollit lorsqu'il est chauffé et devient dur et cassant à température ambiante ;

"C" - obtention du resit - un produit thermodurcissable entièrement durci (insoluble et non fondant).

Au stade du résitol, lorsque la plupart des substances volatiles ont déjà été éliminées, les préimprégnés sont fabriqués à partir de résines phénoliques. Les résines phénoliques elles-mêmes sont très fragiles.

Leurs inconvénients incluent la toxicité et la nécessité d'utiliser des pressions élevées pendant le durcissement. Les CM à base de résines phénoliques sont des matériaux conçus pour fonctionner sous hautes températures, ta! comment ils sont capables de résister à des températures de 315 °C pendant une longue période et de plus de 3 000 °C pendant une courte période.

Les organosiliciés, ou résines de silicone, sont des composés synthétiques co6oi contenant, ainsi que des groupes organiques ! le silicium et l'oxygène, qui sont inclus dans la chaîne principale sous forme de maillons

Les KM basés sur ceux-ci conservent leurs propriétés à des températures supérieures à 260°C et se caractérisent par une résistance à la corrosion, une résistance aux arcs et aux étincelles et une conductivité thermique accrue. Cependant, à température ambiante, les propriétés de CM n ; à base de résines silicones est inférieur à celui à base de résines époxy, polyester et phénoliques. En plus, ils sont plus chers. À base de résines organosiliciées, on obtient des CM qui sont utilisés dans les structures de carénages, de moteurs d'avion, de fusées et d'autres produits fonctionnant à haute température.

Les résines polyimide se caractérisent par une résistance élevée à la chaleur et aux radiations. Les CM basés sur ceux-ci sont capables de fonctionner longtemps à des températures supérieures à 300°C. Au stade final de formation, les résines polyimides perdent leur plasticité et leur solubilité] et se transforment en polymères à réseau polycyclique. Les perspectives de création de CM haute température y sont associées. Il existe des inconvénients : les résines polyimide - la nécessité d'utiliser des températures et des pressions élevées lors de leur durcissement.

La technologie de fabrication de produits à partir de PCM comprend les étapes principales suivantes :

1. Traitement de surface préliminaire de la fibre de carbone afin d'améliorer sa mouillabilité avec des solutions ou des fondus de liants.

Les fibres de carbone sont fournies au consommateur recouvertes d'un lubrifiant, nécessaire comme additif technologique. Retirer l'agent d'encollage de la surface des fibres (désencollage) est une opération nécessaire. VRX Nous t'aimons. Les conteneurs de cet hydrocarbure passent dans de l'essence, des solutions de bore d'acide oléique (2 en poids), de triéthanolamine (1 en poids) ou d'autres solvants. Le lubrifiant peut également être éliminé en calcinant la fibre de carbone à 200 - 450°C. Le lavage à l'eau par ultrasons donne un bon effet. Après désencollage, certains types de fibres adsorbent fortement l'humidité, ce qui altère l'adhérence du liant sur elles et réduit les performances du PCM dans son ensemble. L'application de revêtements hydrophobes (hydrofuges) sur la surface, qui augmentent la force de liaison des fibres avec le liant et réduisent l'absorption d'eau du PCM, est appelée étape de finition. Les agents d'encollage sont fixés en chauffant les fibres à 80 - 150°C pendant 20 - 60 minutes. Dans les cas où les fibres arrivent sur des bobines non adaptées au bobinage ou à l'imprégnation, elles sont déposées sur une bande unidirectionnelle, appelée mèche, tout en assurant une tension uniforme. Cette opération est appelée déformation.

2. Préparation du liant.

En plus du composant principal (résine), différentes quantités de durcisseurs, catalyseurs, plastifiants et pigments sont ajoutées au liant, selon sa nature. Les solvants suivants sont utilisés : acétone, benzène, toluène, dichloroéthane, tétrachlorure de carbone. Évidemment, lorsque vous travaillez avec eux, vous devez respecter les exigences de sécurité en vigueur.

Les diluants aident à obtenir la viscosité technologique requise du liant et y restent après durcissement. Les diluants agissent simultanément comme plastifiant, augmentant la plasticité des liants durcis. Par exemple, les résines époxy à faible viscosité de diéthylèneglycol et de triéthylèneglycol sont utilisées comme diluant pour les résines époxy à haute viscosité. Le mélange de tous les composants qui composent le liant est appelé un composé.

Une caractéristique technologique importante d'un liant est sa vitalité (vitalité) - la capacité de maintenir la viscosité technologique dans des limites spécifiées pendant un certain temps (de quelques minutes à plusieurs jours). Au fil du temps, les solvants s'évaporent du liant, ce qui augmente la viscosité du composé et détériore ses caractéristiques d'imprégnation. Si le solvant s'évapore lentement, le composé a une viabilité élevée, mais le temps de séchage des produits augmente considérablement. Il se pourrait même que cette fois-là suppression complète Le solvant dépassera le temps de durcissement du liant. Dans ce cas, le polymère durci aura de nombreux pores et bulles de gaz. L'utilisation de solvants très volatils réduit fortement la vitalité du liant, ce qui est également indésirable. Par exemple, pour les résines époxy, un solvant moyennement volatil, le toluène ou sa solution dans l'alcool éthylique, est recommandé.

Lors du transport et du stockage du classeur, de l'humidité s'y infiltre parfois. Par conséquent, avant utilisation, la résine est chauffée dans des récipients métalliques spéciaux à 100 - 140 ° C et, après avoir éliminé l'eau, diluée avec des solvants ou des diluants.

3. Imprégnation.

Il s'agit de l'opération consistant à combiner la charge avec le liant en appliquant le composé sur la surface de la fibre de carbone et en remplissant le volume entre les fibres avec.

Actuellement, les produits en PCM sont fabriqués principalement par deux méthodes : « humide » et « sèche ». Avec la méthode humide, les fibres sont imprégnées d'un liant liquide juste avant le bobinage, c'est-à-dire l'imprégnation est technologiquement combinée avec le moulage du produit. Avec la méthode sèche, imprégnation ; séparé en une opération indépendante, à la suite de laquelle des hydrocarbures et un liant. procurez-vous des préimprégnés. L'imprégnation et le séchage sont réalisés dans des usines spécialisées séparément du bobinage, ce qui permet d'élargir la gamme de liants polymères utilisés grâce à l'utilisation de différents ; solvants. Les liants avec solvants ont une faible viscosité technologique, ce qui permet d'obtenir une imprégnation uniforme de haute qualité. Les préimprégnés peuvent être dans un état partiellement durci. de plusieurs jours à plusieurs mois selon la température ambiante.

Le bobinage à sec est une méthode plus progressive que le bobinage humide. Les inconvénients du bobinage humide se résument aux suivants :

Le choix des liants pour le bobinage humide est limité aux résines pouvant être utilisées dans forme liquide, par exemple, époxy ou polyester.

En général, il n'est pas souhaitable d'utiliser des solvants, car les substances volatiles, lorsqu'elles sont éliminées pendant le durcissement du produit de la plaie, conduisent à la formation de pores et de bulles et nuisent à la solidité et à la résistance.

L'utilisation de liants liquides aggrave les conditions sanitaires sur les lieux de travail.

La productivité du bobinage humide est limitée par la vitesse du liant.

L'utilisation du chauffage pour réduire la viscosité technologique de la résine réduit la viabilité du liant et accélère le processus de polymation< гризации и ухудшает пропиточные свойства смолы.

6. Lors d'un enroulement humide, il est difficile d'ajuster la concentration des composants dans le produit. Une partie de la résine disparaît avec la méthode humide.

Le bobinage à sec des préimprégnés ne présente pas tous les inconvénients énumérés.] La vitesse de bobinage n'est pas limitée par la vitesse d'imprégnation et dépend entièrement* des capacités de l'équipement de bobinage. Le bobinage avec des préimprégnés permet d'utiliser une large gamme de résines, d'assurer une répartition uniforme du liant dans tout le volume du produit, de réduire les risques d'aspect collant, ce qui permet d'obtenir des produits de formes complexes, d'étanchéité accrue et de faible porosité. Lors de leur moulage, il ne reste plus qu'à assurer une liaison de qualité des couches de liant entre elles (autohésion) et avec les fibres de renfort (adhésion).

Les principaux inconvénients du bobinage à sec incluent la nécessité d'utiliser machines spéciales et autres équipements technologiques.

On distingue les méthodes d'imprégnation suivantes : tirage des renforts (fils) à travers un liant liquide ; rouleau de bain; pulvérisation avec imprégnation forcée.

Dans la production de HLM avec renfort sous forme de brins, fils et tissus, la méthode la plus courante est l'imprégnation en les tirant à travers un liant liquide (Fig. 1.26).

Riz. 1.26. Schéma d'une machine d'imprégnation verticale ; 1 - tambour, 2 - raccords, 3 - bain avec liant liquide, 4 - rouleaux de bain, 5 - arbre de séchage, 6 - radiateurs, 7 - dispositif d'échappement, 8 - tendeur, 9 - tambour de réception

Le renfort (2) est déroulé du tambour (cantre) (1) et, en passant par un système de rouleaux (4), entre dans le bain (3) avec un liant liquide. Les raccords imprégnés pénètrent dans la gaine de séchage (5), où se trouvent des radiateurs (6) et un dispositif d'évacuation (7). Ici, le renfort change plusieurs fois de direction de mouvement pour augmenter le temps pendant lequel il reste dans la zone de température élevée. En conséquence, les substances volatiles sont éliminées du composé et l'espace entre les fibres est rempli d'un liant. Le préimprégné séché est enroulé à l'aide d'un arbre d'entraînement via un dispositif de tension (8) n ; tambour de réception.

Pour les GLM avec renfort très rigide (graphite à haut module, bore ou autres fibres), qui ne permettent pas de petits rayons de courbure, il convient d'utiliser la méthode d'imprégnation au rouleau de trempage (Fig. 1.27).

Riz. 1.27. Schéma d'imprégnation avec un rouleau de bain : 1 - renfort, 2 - récipient avec liant liquide, 3 - récipient, 4 - rouleau de bain

Lors de sa rotation, le rouleau capte le liant à sa surface et le transfère au renfort.

La méthode de pulvérisation avec imprégnation forcée permet de réduire considérablement le temps de remplissage des espaces interfibres avec un liant ; Des imprégnations forcées hydrauliques, sous vide et mécaniques sont utilisées. .

Dans le processus d'imprégnation forcée hydraulique, le liquide ev ; Le fluide est pompé à travers les raccords.

L'imprégnation forcée sous vide est réalisée par aspiration de liquide dans une chambre sous vide où se trouvent les raccords.

L'imprégnation forcée mécanique est plus simple. Ça peut être utilisé; effectuer dans une chambre spéciale (coin) ou à l'aide d'une face de compression. Dans la chambre à coin (Fig. 1.28), le composé est emporté par le bras mobile ; arrondir dans la cavité du coin. Ici, en réduisant la section du canal de la chambre : la pression du fluide augmente perpendiculairement aux raccords mobiles. C'est sous l'action de cette pression que l'espace entre les fibres se comble.

Lors de l'imprégnation à l'aide d'un rouleau presseur (Fig. 1.286), la pression requise pour l'imprégnation et l'élimination des bulles sensuelles de l'espace interfibre se produit comme une réaction du rouleau au ruban tendu.

Riz. 1.28. Schémas d'imprégnation forcée mécanique dans une chambre à coin (a) et à l'aide d'un rouleau presseur (b) : 1 - renfort, 2 - liant, 3 - rouleaux

4. Moulage.

Il s’agit de l’opération consistant à donner à un produit une forme et une taille données. Le moulage peut être réalisé à l'aide de presses, de méthodes de contact, de vide, d'autoclave et de bobinage.

Avant le moulage sur presses, les mèches ou tissus pré-imprégnés sont découpés manuellement ou à l'aide de machines spéciales en morceaux de la longueur requise. En fonction de la structure PCM donnée, les pièces sont posées dans une ou plusieurs directions alternées. Le colis est placé entre les plateaux d'une presse hydraulique et compacté sous une pression de plusieurs à plusieurs dizaines d'atmosphères, selon la nature et la structure des composants. Si le renfort est imprégné d'un liant durcissant à chaud, les plaques de presse sont chauffées. Cette méthode est généralement utilisée pour produire des matériaux en feuille tels que les PCB.

Le moulage par contact consiste à enrouler un ruban ou un tissu imprégné avec un rouleau. Généralement, le compactage est effectué à température ambiante à l’aide de résines durcissant à froid. Cette méthode est utilisée dans la production à petite échelle de produits de grande taille et légers.

Le formage sous vide des produits PCM est réalisé en raison de la différence entre la pression atmosphérique et interne (dans le volume où se trouve le produit). Le formage sous vide est utilisé pour la fabrication de petits lots de produits, car la méthode est peu productive et relativement coûteuse.

Grâce à la méthode de moulage en autoclave, le produit est moulé à basse pression créée par l'eau ou le gaz. Cette méthode permet de produire de grandes séries de grandes pièces aux formes complexes.

L'une des méthodes les plus courantes pour produire du PCM et des produits fabriqués à partir de ceux-ci est la méthode d'enroulement. Dans ce cas, le renfort imprégné d'un liant est enroulé sur un tambour (mandrin) sous tension. Le bobinage permet d'automatiser le processus de moulage et de programmer l'anisotropie des propriétés du produit final. Le bobinage est le plus largement utilisé pour la fabrication de produits en forme de corps de révolution (cylindres, sphères, cônes, tores, etc.).

5. Guérison.

Pendant le processus de durcissement du liant, la structure finale est créée ; PCM, ses propriétés sont formées et la forme du produit est fixée. Les principaux paramètres technologiques du durcissement sont la température et le temps. Il est nécessaire de respecter scrupuleusement les paramètres développés pour chaque combinaison de liant et de renfort.

Le durcissement peut se faire à température ambiante (curage à froid*), avec températures élevées(durcissement à chaud), électrique ou fours à induction avec contrôle automatique de la température, méthode de rayonnement.

Lors de la cure, on observe deux étapes caractéristiques par lesquelles passe séquentiellement le liant thermodurcissable : initiale - ds d'apparition maille polymère et le dernier - en train de former un réseau polymère. Ces deux étapes sont séparées l’une de l’autre par ce qu’on appelle le point de gélification. Le point de gélification correspond au moment où le liant perd sa capacité à entrer à l'état fluide et à se dissoudre dans les solvants.

Dans une certaine plage de température, le liant liquide se transforme en un état vitreux. Toutes les propriétés du liant changent radicalement : le volume spécifique diminue, la dureté augmente et une résistance à la déformation apparaît. La température à laquelle se produit ce phénomène est appelée température de transition vitreuse. La température de transition vitreuse n'est pas un point, mais la température moyenne de l'intervalle. La transition vitreuse n'est pas une transition de phase ; le liant vitreux a une structure amorphe et, d'un point de vue thermodynamique, peut être considéré comme un liquide surfondu.

Un autre point caractéristique des matériaux polymères est la température de destruction - la température à laquelle commence une décomposition notable du polymère, accompagnée de la rupture des liaisons moléculaires. La destruction, comme la transition vitreuse, se produit dans une plage de température. Durabilité! le liant à destruction se caractérise par sa résistance à la chaleur (stabilité thermique, résistance à la chaleur). Ce concept est à distinguer de la résistance à la chaleur, qui reflète la capacité d'un polymère à se ramollir.

Jusqu'à épuisement complet des groupes réactifs, la réaction de durcissement ne peut se produire que si la température de durcissement est supérieure à la température de transition vitreuse. Sinon, un durcissement complet ne peut être obtenu. Il existe encore des groupes réactifs dans le polymère, mais leur taux d'interaction avec d'autres groupes est très faible en raison de la très grande viscosité du système. Si le ShSM avec un liant incomplètement durci est utilisé à des températures élevées, le durcissement se poursuivra. Cela entraîne une modification de la forme et de la taille du produit et l'apparition de contraintes internes supplémentaires.

Souvent, la réaction de durcissement s'accompagne d'un dégagement de chaleur, le matériau s'échauffe automatiquement et le liant peut durcir complètement. La polymérisation à froid des liants thermodurcissables repose sur ce principe. Cependant, pour les produits critiques, le durcissement à chaud est utilisé dans la plupart des cas.

Le renfort et le liant entrant dans la composition sont sous l'influence de contraintes internes, qui peuvent être divisées en trois types : structurelles, de retrait et thermiques.

Les contraintes structurelles sont causées par les contraintes exercées sur le renfort pendant le processus d'enroulement. Avant le retrait du mandrin, les contraintes structurelles n'agissent que sur les fibres ; elles ne sont pas présentes dans le liant.

Des contraintes de retrait se produisent dans les fibres et le liant en raison de la diminution du volume (retrait) du liant au fur et à mesure de son durcissement. L'ampleur du retrait peut varier de 2 à 30 % en volume selon la nature du composé.

Les contraintes thermiques sont causées par la différence des coefficients de dilatation linéaire du renfort et du liant et par la répartition inégale de la température dans le volume du produit. En règle générale, le coefficient de dilatation linéaire des polymères est nettement supérieur à celui des fibres.

Dans un véritable PCM, toutes les contraintes considérées sont additionnées et le matériau est sous l'action des contraintes résultantes, qui se relâchent avec le temps. Pour favoriser une relaxation plus complète des contraintes et éviter les déformations et les fissures, il est recommandé de chauffer et de refroidir lentement les produits PCM.

Les plastiques renforcés de fibres de carbone avec des fibres à faible module ne sont pas utilisés comme matériaux structurels. Ils sont utilisés pour fabriquer des matériaux conducteurs, thermoprotecteurs et antifriction.

Les plastiques structurels renforcés de fibres de carbone contiennent des fibres de carbone à haut module (E = 342 - 540 GPa) et à haute résistance (cm - 2,5 GPa) comme charge. Les plastiques structurels renforcés de fibres de carbone se caractérisent par une faible densité et un coefficient de dilatation linéaire ainsi qu'un module d'élasticité, une résistance, une résistance thermique et une conductivité thermique et électrique élevés.

Les propriétés des plastiques renforcés de fibres de carbone sont déterminées par le matériau liant, les propriétés, la concentration et l'orientation des fibres. Les plastiques renforcés de fibres de carbone à base de résines époxy présentent des caractéristiques de résistance élevées à des températures inférieures à 200°C (tableau 1.6). Ces PCM sont le plus souvent réalisés à partir de préimprégnés, réalisés sous forme de bandes de différentes largeurs. La résistance à la traction et à la flexion des plastiques en fibre de carbone unidirectionnelle peut être de 1 000 à 1 600 MPa ou plus, et le module d'élasticité (1 à 2,5) de 10 MPa ou plus. En termes de résistance spécifique et de rigidité, les plastiques en fibre de carbone sont loin derrière les plastiques de verre, l'acier, l'aluminium et les alliages de titane.

Tableau 1.(

Propriétés des plastiques renforcés de fibres de carbone époxy à haut module et à haute résistance

Indicateurs	Fibre de carbone époxy !
	hautement modulaire	haute résistance
Densité, kg/m 3
Résistance, MPa, en compression, traction et cisaillement intercalaire en flexion
Module d'élasticité en traction et flexion, GPa
Résistance à la fatigue en flexion basée sur 10 7 cycles, GPa

Dans les plastiques en fibre de carbone destinés à un fonctionnement à long terme à des températures allant jusqu'à 250°C, on utilise des plastiques phénoliques et des organosiliciés jusqu'à 300°C. je jusqu'à 330°C - liants polyimide. Des liants avec des températures de fonctionnement allant jusqu'à 420°C sont en cours de développement. Un inconvénient encore plus prononcé des plastiques renforcés de fibres de carbone que celui de la fibre de verre est la faible résistance au cisaillement intercouche. Cela est dû à la faible adhésion des polymères aux fibres de carbone. Pour : augmenter l'adhérence, plusieurs méthodes sont utilisées : graver la surface des fibres avec des agents oxydants (par exemple de l'acide nitrique), brûler le lubrifiant ; finition - revêtement préalable des fibres avec une fine couche de monomère les mouillant ; viscération – croissance de « moustaches » (peluches) dans les fibres de carbone. Je les appelle des plastiques renforcés de fibres de carbone, dans lesquels, en plus des fibres continues orientées, des moustaches sont utilisées comme charge ! à moustaches ou vorsérisé.

L'anisotropie des propriétés des plastiques renforcés de fibres de carbone est encore plus prononcée que celle des plastiques renforcés de fibres de verre. Ceci est lié à cela. que le rapport des modules d'élasticité de la charge et du liant pour les plastiques au carbone (100 ou plus) est nettement plus élevé que pour les plastiques à base de fibres de verre (20 - 30). De plus, les plastiques en fibres de carbone se caractérisent par une différence entre les propriétés élastiques des fibres elles-mêmes dans la direction le long de l'axe et perpendiculairement à celui-ci, ce qui conduit à une anisotropie supplémentaire. En règle générale, les conceptions nécessitent moins d’anisotropie des caractéristiques mécaniques*. Dans ce cas, des matériaux renforcés croisés sont utilisés. En modifiant la teneur volumétrique des fibres et la texture du PCM, il est possible de modifier les propriétés des compositions dans une très large plage.

Les plastiques renforcés de fibres de carbone se caractérisent par une résistance élevée aux charges de fatigue. En termes de limite d'endurance par unité de masse, les plastiques renforcés de fibres de carbone sont nettement supérieurs aux plastiques et métaux renforcés de fibres de verre. L'une des raisons en est une déformation plus faible (que, par exemple, la fibre de verre) au même niveau de contrainte, ce qui réduit la fissuration de la matrice polymère. De plus, la conductivité thermique élevée des fibres de carbone aide à dissiper l’énergie vibratoire, ce qui réduit l’auto-échauffement du matériau dû aux forces de friction internes.

Une propriété précieuse des plastiques renforcés de fibres de carbone est leur capacité d’amortissement et leur résistance aux vibrations élevées. Selon ces indicateurs, les plastiques renforcés de fibres de carbone sont supérieurs aux métaux et à certains autres matériaux structurels. La capacité d'amortissement peut être ajustée en modifiant l'angle entre les directions de renforcement et d'application de la charge.

Les plastiques renforcés de fibres de carbone sont utilisés pour réaliser des structures qui maintiennent la stabilité sous l'influence d'un moment de flexion externe, d'une pression ou d'une compression axiale : pales de rotor d'hélicoptère, carters de compresseur et de soufflante, pales de soufflante, stator et disques de rotor de compresseur basse pression de moteurs d'avion. L'utilisation de plastiques renforcés de fibres de carbone au lieu de métaux dans ces composants permet de réduire le poids du moteur de 15 à 20 %. Dans la technologie spatiale, les plastiques en fibre de carbone sont utilisés pour les panneaux solaires, les cylindres haute pression et les revêtements de protection thermique.

Le coefficient de dilatation linéaire des plastiques renforcés de fibres de carbone unidirectionnelles à haut module dans le sens longitudinal est proche de zéro et dans la plage de 120 à 200 ° C, il est même négatif (-0,5 à 10 "6 1 / ° C). Par conséquent, les dimensions des produits en plastique en fibre de carbone changent très peu pendant le chauffage et le refroidissement.

Les plastiques renforcés de fibres de carbone ont une conductivité électrique assez élevée, ce qui leur permet d'être utilisés comme matériaux antistatiques et chauffants électriques. Avec une augmentation de la teneur en CF dans le PCM jusqu'à une certaine fraction volumique (40 - 70 %), selon le type de polymères et de CF, forme textile de CF, une augmentation de la résistance et du module élastique est observée. Ensuite, ces indicateurs commencent à se détériorer en raison de la quantité insuffisante de polymère nécessaire pour obtenir un composite monolithique et de la destruction des fibres de carbone fragiles au stade de la formation à un degré de compactage élevé. La teneur maximale en HC dans le PCM est également limitée par la mauvaise mouillabilité du liant HC.

Dans certains cas, l'utilisation de fibres de carbone seules comme charge ne fournit pas la viscosité, la résistance à l'érosion, la résistance à la compression, à la traction et au cisaillement nécessaires. Ensuite, les liants sont renforcés conjointement par des fibres de carbone et de verre ou de carbone et de bore. Le renfort combiné permet d'élargir la gamme ! valeurs de résistance, de rigidité et de densité du PCM.

La résistance chimique des plastiques en fibre de carbone leur permet d'être utilisés dans la production de pompes et de joints résistants aux acides. Les fibres de carbone ont un faible coefficient de frottement, ce qui permet de les utiliser comme charge pour divers liants à partir desquels sont fabriqués les roulements, les joints, les bagues et les engrenages.

Le développement de la technologie nécessite des matériaux mécaniquement solides et résistants à la chaleur. Cela a suscité un intérêt particulier pour les matériaux composites carbone-carbone (CCM), contenant du carbone à la fois comme charge de renforcement et comme matériau de matrice.

Dans CCCM, la résistance à haute température est combinée avec une faible densité, un module de résistance et d'élasticité élevé et une résistance à la chaleur ; frapper. Ces matériaux sont opérationnels longtemps à des températures allant jusqu'à 500° (en milieu oxydant et jusqu'à 3000°C en milieu inerte et sous vide.

La charge et la matrice CCCM, selon la composition et les conditions de carbonisation, peuvent subir différentes modifications. Dans la classification acceptée, la structure de la charge carbonée est indiquée en premier, puis la matrice, par exemple un matériau carbone-carbone, graphite-carbone, graphite-graphite.

Dans CCCM, la charge carbonée est contenue sous forme de fibres discrètes, de fils ou câbles continus, de feutres, de rubans, de tissus à tissage plat et volumétrique et de structures volumétriques. Les fibres sont disposées de manière aléatoire dans des directions unidirectionnelles, bidirectionnelles ou tridirectionnelles. Ils utilisent des fibres de carbone à faible module, à haut module et à haute résistance obtenues à partir de viscose, de fibres de polyacrylonitrile et de brai de goudron de houille.

Le carbone pyrolytique, ainsi que le brai de goudron de houille et les polymères de cokéfaction, qui produisent plus de 50 % en poids de coke au cours du processus de destruction thermique, peuvent être utilisés comme matrice. Les résines phénoliques sont le plus souvent utilisées (rendement en coke de 54 à 60 % en poids). Il est connu d'utiliser du polyamide (63 à 74 en poids), des résines organosiliciées (84 à 87 en poids), des produits de condensation de phénol et de naphtènes avec du formaldéhyde (70 en poids), des cendres d'oligobenzimide (74 en poids), résines furfuryliques et autres polymères. Plus le rendement et la résistance du coke sont élevés, ainsi que la force de son adhésion à la charge, tci, plus la qualité du CCCM est élevée.

, .„.„ Pour obtenir un composite aux propriétés spécifiées, il est nécessaire de déterminer la combinaison charge et matrice la plus avantageuse, ainsi que : v 6paTb, le régime technologique le plus favorable pour l'obtention de la matrice yraepoj.

En fonction de l'état de phase des substances contenant du carbone, on distingue les méthodes suivantes de compactage des charges en fibres de carbone (CFF) avec du carbone :

utiliser des hydrocarbures en phase gazeuse ou vapeur (gaz naturel, propane-butane, benzène, etc.) ;

utiliser des hydrocarbures liquides caractérisés par une teneur élevée en carbone et un pourcentage élevé de rendement en coke (brais, résines) ;

combinés, comprenant imprégnation des cadres poreux avec des hydrocarbures liquides et carbonisation, puis compactage avec du carbone pyrolytique obtenu par pyrolyse d'hydrocarbures en phase gazeuse.

Le processus de compactage du cadre peut être effectué de plusieurs manières.

La méthode isotherme consiste à faire passer un gaz contenant du carbone sur la surface d'un cadre chauffé à une pression relativement modérée. L'inconvénient est la durée du processus, la formation d'une croûte superficielle qui empêche le gaz de pénétrer dans le cadre. Cette méthode est la plus efficace pour les produits de faible épaisseur.

Dans une autre méthode, une différence de pression est établie sur toute l'épaisseur du cadre et le gaz contenant du carbone est filtré de force à travers celui-ci. La filtration forcée accélère le processus de compactage et augmente considérablement l'épaisseur de l'imprégnation. Cependant, en raison d'une diminution de la concentration de gaz carboné le long de l'épaisseur de la couche, la structure du matériau est inégalement dense.

La méthode la plus répandue est la méthode du thermogradient, lorsqu'une certaine différence de température s'établit dans toute l'épaisseur du cadre poreux et que du gaz contenant du carbone passe du côté de la surface à basse température. Dans ce cas, la formation d'une croûte superficielle est éliminée, ce qui contribue à la production d'un matériau de haute qualité. Cette méthode est la plus efficace lors du compactage de cadres d’épaisseur moyenne et grande.

Au cours de la décomposition thermique des hydrocarbures en phase gazeuse, divers processus chimiques se produisent simultanément, entraînant la formation d'hydrocarbures plus légers et plus lourds, d'hydrogène et de divers produits carbonés solides. La structure et les propriétés des produits carbonés sont diverses et dépendent des conditions du procédé. Par exemple, les produits de décomposition thermique, selon la forme géométrique externe, contiennent :

le carbone en couches ou brillant, appelé pyrocarbone (PU) ;

Carbone fibreux ou filamenteux ; carbone dispersé ou suie.

La formation du PU s'effectue dans une large plage de températures allant de 700 à 3 000°C. La composition des gaz sources détermine le rendement en PU et la vitesse de son dépôt. Le rendement le plus élevé en PU est obtenu à partir du méthane, qui a le poids moléculaire le plus bas. Les hydrocarbures de poids moléculaire élevé ont un rendement en suie accru. La pression du gaz dans le réacteur est d'une importance capitale.

Il existe deux principaux types de PU dont la structure et les propriétés sont déterminées par la température de formation : basse température (1 000 - 1 100°C) et haute température (1 400 - 2 200°C), appelées pyrographite.

Le processus de dépôt de PU en phase gazeuse est réalisé dans une installation (Fig. 1.29), composée d'un réacteur refroidi à l'eau, d'une station de contrôle des systèmes d'alimentation en gaz naturel, d'équipements de création de vide, de refroidissement et d'alimentation électrique. La pièce à usiner - cadre en carbone (4) est installée sur des radiateurs en graphite (3), pris en sandwich entre les conducteurs de courant (2). Après mise sous vide, l'enceinte est introduite dans le réacteur. gaz naturel. Le chauffage est effectué en faisant passer directement le courant à travers le réchauffeur (3), le contrôle de la température est effectué par des thermocouples mobiles chromel-alumel (5) placés dans des boîtiers en quartz. Au début du processus, le thermocouple est installé en jonction à proximité du. surface du radiateur. Avec le schéma de compactage PU adopté, la zone de pyrolyse se déplace du centre de la pièce vers la périphérie.

Dans le dépôt de PU en phase gazeuse, l'un des critères de qualité du matériau obtenu est sa densité. Elle est fonction de nombreux paramètres et dépend de la densité du bâti, de la vitesse du front de pyrolyse, de la concentration du réactif et de la pression du gaz dans le réacteur.

La destruction du carbone pyrolytique de la phase gazeuse dans le carbonate ultraviolet s'effectue principalement à des températures de 1 100 à 1 500 °C et à pression réduite dans une atmosphère contenant 91 à 93 % de méthane et 7 à 9 % d'argon. La graphification s'effectue dans une atmosphère inerte.

Le processus technologique de production de CCCM par la méthode en phase liquide !* comprend la réalisation d'un cadre poreux, son imprégnation avec des hydrocarbures liquides, sa carbonisation sous pression et sa graphitisation. Lors du choix d'un matériau d'imprégnation à imprégner, tenez compte de ses caractéristiques suivantes :

viscosité;

déchets de coke;

microstructure du coke ;

Structure cristalline du coke.

Toutes ces caractéristiques dépendent de la pression et de la température lors du processus de durcissement des composites carbone-carbone. Les résines les plus couramment utilisées sont les résines phénoliques, polyamide, polyvinylsiloxane, polyphénylsiloxane, furfuryl et époxy novolaque. Une direction progressive et prometteuse est l'utilisation de brais d'origine pétrolière et charbonnière comme matériau d'imprégnation. Ces liants présentent les avantages suivants : un faible coût, une teneur élevée en carbone tout en conservant la thermoplasticité et la possibilité de graphiter des brais mésophases préparés. Les inconvénients comprennent : la toxicité, la qualité incohérente.

Ch

Riz. 1.29. Schéma d'installation de la méthode thermogradient de dépôt en phase gazeuse de pyrocarbone : 1 - réacteur refroidi à l'eau, 2 - câbles de courant, 3 - chauffage, 4 - cadre en carbone, 5 - thermocouple dans un tube de quartz, 6 - mécanisme de déplacement du thermocouple, 7 - chemise d'eau ; flux : I - gaz, II - produits gazeux de pyrolyse, Ш - eau.

La composition chimique et les propriétés des brais varient considérablement en fonction de la nature de la matière première et des conditions technologiques. Dans certaines conditions, une phase cristalline liquide (mésophase) peut nucléer et croître en brai, ce qui assure la formation de coke graphitisant anisotrope. À cet égard, on distingue actuellement les brais entre isotropes (réguliers, non mésophase) et anisotropes (mésophase).

Lors de la carbonisation à basse température (550 - 650°C), la mésophase se transforme en charbon solide. Ce processus s'accompagne d'un gonflement sous l'influence des gaz libérés, ce qui conduit à la formation d'une structure de coke finement poreuse. Lors du gonflement, une déformation profonde du coke se produit et le nombre de structures défectueuses augmente, ce qui lors du traitement thermique ultérieur conduit à l'apparition de fissures de retrait.

La formation de la structure et des propriétés de la matrice carbone-coke dépend des conditions de traitement thermique, qui peuvent être divisées en plusieurs étapes :

Carbonatation (900 - 1423°C) - décomposition des composés organiques

formation et formation d'une structure moléculaire ordonnée de coke de carbone

précristallisation (1400 - 2000°C) - ordre des atomes yi

leroda en une structure plus parfaite avec la formation de ce qu'on appelle des voies<

les formes actuelles de carbone ;

graphitisation homogène (2000 - 3000°C) - transformation de transition ; toutes formes de carbone en graphite cristallin.

En figue. La figure 1.30 montre un schéma de l'installation d'imprégnation du tissu carbone.

Riz. 13h30. Schéma d'installation pour l'imprégnation du tissu carbone : 1 - bobine d'alimentation, 2 - tissu carbone, 3 - rouleaux presseurs, 4 - four électrique, 5 - dispositif qui régule la vitesse d'alimentation du tissu, 6 - bobine réceptrice ; 7 - entraînement électrique, 8 - bain

Le tissu est déroulé de la bobine d'alimentation (1) et passe à travers votre (8), dans laquelle trois mélangeurs à grande vitesse mélangent intensément la poudre de brai avec de l'eau, créant une suspension eau-brai stable. IIj passage ultérieur du tissu à travers les rouleaux presseurs (3) et l'électron 1 (4), l'eau s'évapore et le brai, en fondant, imprègne le tissu obtenu, à l'aide d'un entraînement électrique (7) et d'un contrôle de la vitesse d'avancement du tissu. dispositif (5), est enroulé sur une bobine réceptrice (6). A la sortie du four, le ruban est pressé par un arbre chauffé à 100 - 120°C et essoré ! cuit dans le volume du tissu.

L'imprégnation préliminaire d'un cadre en carbone poreux avec du brai peut être réalisée sous une pression de 0,5 à 3 MPa, la carbonisation - à une pression de 100 - 200 MPa et une température de 900 - 1100°C.

Une caractéristique du CCCM est la porosité relativement élevée de la matrice de carbone, ainsi que son intersection avec des fissures dans la direction perpendiculaire à la charge. Des fissures dans la matrice se produisent lorsque le produit est refroidi de la température de production (3 000°C) à la température ambiante en raison de contraintes thermiques élevées. Pour éliminer la porosité, l'opération d'imprégnation-carbonisation suivie de graphitisation et l'opération d'imprégnation au charbon pyrolytique sont répétées plusieurs fois (Fig. 1.31).

Après des répétitions répétées du cycle d'imprégnation-carbonisation, la densité du matériau peut atteindre 2000 - 2100 kg/m3. Si la température de traitement ne dépasse pas 800 - 1 500°C, une carbonisation du liant se produit et à des températures de 2 300 - 3 000°C, un matériau graphitisé est obtenu. La carbonisation du plastique en fibre de carbone est réalisée dans un flux de gaz inerte ou une atmosphère réductrice à pression accrue avec chauffage isotherme, dynamique ou « par étapes » - dans une atmosphère inerte ;

Fibres de carbone

Couche d'enroulement 3 \ ^Fabrication

produits de tricot volumineux/tissus

structures\

Micrologiciel

Imprégnation de brai

* Carbonatation

Réimprégnation Re-carbonatation

Graphitisation Fig. 1.31. Schéma d'obtention de CCCM par la méthode d'imprégnation

Une méthode combinée ou complexe d'obtention de CCCM peut être mise en œuvre selon les schémas suivants :

Imprégnation d'une ossature poreuse avec du brai, carbonisation sous pression, compactage supplémentaire du PU à partir de la phase gazeuse ;

Compactage du châssis PU depuis la phase gazeuse jusqu'à une densité donnée, imprégnation au brai suivie de carbonisation, traitement mécanique et compactage du PU.

Cette méthode offre une densité maximale, des caractéristiques physiques et mécaniques élevées et ne nécessite aucun équipement supplémentaire.

Dans les cas où la carbonisation du CCCM est réalisée sans pression

Le procédé peut être réalisé en torréfaction conventionnelle (chambre à gaz) p

chakhs, dont la conception a été discutée plus tôt. Technologie de production]

CCCM utilisant la méthode en phase liquide en termes de carbonisation sous pression peut être<

être mis en œuvre à l’aide de presses.

La graphitisation (graphitisation) est réalisée dans des fours Acheson, dont la construction a été évoquée dans les chapitres précédents.

Les propriétés du CCCM varient dans une large gamme. La résistance du CCCM carbonisé est proportionnelle à la densité. La graphitisation du carbonate carboné augmente sa résistance. La résistance du CCCM basée sur un module CF élevé est supérieure à la résistance du CM basée sur un module CF élevé, améliorez-vous ! nykh à différentes températures de traitement. Les propriétés uniques du CCCM incluent la résistance aux températures élevées dans des environnements inertes et réducteurs. En termes de capacité à conserver sa forme et ses propriétés physiques et mécaniques dans ces environnements, le CCCM est supérieur aux matériaux structurels connus. Certains CCCM, notamment ceux obtenus par carbonisation de fibres de carbone à base de polymères organiques, se caractérisent par une augmentation de leur résistance avec l'augmentation de la température de fonctionnement de 20 à 2700°C. À des températures supérieures à 3 000 °C, les CCCM sont opérationnels pendant une courte période, car une sublimation intense du graphite commence. Plus la structure cristalline du graphite est parfaite, plus la température est élevée et plus les processus de destruction thermique se produisent à faible vitesse. Propriétés] Les CCCM changent dans l'air avec une exposition prolongée à des températures relativement basses. Ainsi, à 400 - 650°C dans l’air, cela arrive ! oxydation du CCCM et, par conséquent, une diminution rapide de la résistance. ces augmentations de porosité. L'oxydation matricielle est en avance sur l'oxydation des hydrocarbures, e< ли последние имеют более совершенную структуру углерода. Скорость оки>L'augmentation de la température de leur fabrication et la diminution du nombre de défauts diminuent avec l'augmentation de la température. Empêche efficacement l'oxydation du CCCM< питка их кремнийорганическими соединениями из-за образования карбида оксида кремния.

En figue. 1.32 présente les domaines d’application du CCCM.

résistant à l'ation

Riz. 3.32. Domaines d'application du CCCM dans des conditions de charges thermiques élevées

Ainsi, les CCCM sont utilisés dans diverses branches technologiques dans les cas où les matériaux traditionnels sont inefficaces, c'est-à-dire dans des conditions de charges thermiques élevées et dans des unités de friction.

Les matériaux composites sont des matériaux créés à partir de plusieurs composants. Ils sont principalement fabriqués à partir d'une base en plastique, d'une charge renforçante et de quelques autres substances. En conséquence, le composite se caractérise par une résistance élevée, une rigidité et de nombreuses autres propriétés utiles.

Les technologies des composites polymères sont des méthodes de création de matériaux dont la matrice est un polymère. Il existe un grand nombre d'espèces et d'espèces, ce qui a assuré leur prévalence et leur popularité. Il existe les types de polymères céramiques suivants :

Fibre de verre;
plastiques renforcés de fibres de carbone;
boroplastie;
les organoplastiques ;
polymères chargés de poudres;
dalles de texte.

Les matériaux céramiques composites sont utilisés dans une grande variété de domaines, parmi lesquels :

Construction;
ingénierie électrique;
industrie chimique;
construction de route;
télécommunications;
industrie aéronautique, etc.

La prévalence et la popularité des technologies composites sont associées aux nombreux avantages de cette méthode de fabrication de matériaux. Il convient de prêter attention aux qualités positives suivantes :

Propriétés physiques et chimiques améliorées ;
densité assez faible;
résistance à la corrosion, à la pourriture ou à la déformation ;
faible toxicité lors de la combustion;
ininflammabilité ou inflammabilité difficile ;
résistance chimique unique ;
faible coefficient de dilatation linéaire dû à l'action de la chaleur ;
plage de température de fonctionnalité assez large ;
propriétés d'isolation électrique élevées;
une propreté accrue de l’environnement.

Au XXIe siècle, les matériaux composites à base de polymères céramiques sont devenus l'une des substances les plus populaires à l'aide desquelles ils résolvent divers problèmes technologiques dans une grande variété de domaines, tels que la construction, l'ingénierie ou d'autres types d'industries. Ceci a été réalisé grâce à de nombreux avantages qui distinguent les composites des autres types de matériaux populaires jusqu'à présent.

Restauration de la roue de pompe diagonale

Des matériaux composites peuvent également être utilisés pour restaurer la roue de pompe diagonale. Le député Angarsky Vodokanal a contacté Ceramet avec une demande similaire concernant la réparation d'un dispositif de pompage des eaux usées appelé KSB Sewatec.

En trois ans de fonctionnement, les performances de la pompe ont chuté à 70 % dès le premier jour de fonctionnement. La réparation comprenait la restauration du métal, l'application de matériaux composites et l'équilibrage dynamique. Ainsi, grâce à l'utilisation de technologies composites, il a été possible de prolonger la durée de vie de la pompe et de réaliser des économies de coûts de 4,5 fois.

Caractéristiques du matériau Ceramet

Les matériaux céramiques composites Ceramet sont conçus pour protéger les équipements, prolongeant leur durée de vie et augmentant leur durée de vie. Cela réduit considérablement les temps d'arrêt et la nécessité d'acheter des pièces de rechange supplémentaires.

La particularité du matériau Ceramet est sa gamme d'applications assez large, qui comprend :

Réparation d'équipements de pompage ;
renouvellement des tarières;
améliorer la fonctionnalité des échangeurs de chaleur ;
réparation de canalisations, gouttières, etc.

Ainsi, le matériau composite Ceramet peut être utilisé à de nombreuses fins différentes, ce qui est plus avantageux que les autres méthodes de renouvellement des équipements.

T technologie des composites résout le problème de l'obtention de matériaux renforcés. Le mot technologie vient de deux mots grecs : techne – compétence et logos – mot, enseignement. Habituellement dans les noms de ce type, la deuxième partie « logie » correspond au concept de « science ». Par exemple, la zoologie est la science des animaux, la géologie est la science de la structure de la Terre. Par analogie, la technologie devrait être définie comme la science de l’artisanat.

Technologie des composites – section de technologie des matériaux

Mais le mot « science » à côté du mot « technologie » est apparu relativement récemment. La technologie est généralement définie comme un ensemble de méthodes. Si nous parlons de technologie des matériaux, il s'agit alors d'un ensemble de méthodes d'obtention et de traitement des matériaux.
Les fibres en tant que composants d'un matériau. Il y a seulement quelques décennies, on pouvait être d’accord avec cette définition. Et aujourd’hui, cela nécessite sans doute des éclaircissements. Aujourd'hui, la technologie des matériaux n'est pas seulement un ensemble de méthodes, mais aussi la science de l'obtention et du traitement des matériaux, qui a sa propre base théorique (théorie des procédés métallurgiques, théorie du traitement sous pression, théorie du traitement thermique, etc.) , ses propres méthodes de recherche, ses propres principes. Et la création de nouveaux matériaux est impensable sans utiliser ses acquis. Mais en gardant cela à l’esprit, nous ne devons pas oublier la première partie du mot. Après tout, la technologie est aussi une compétence. Et la compétence s’apparente à l’art. Pour devenir un bon technologue, en plus des connaissances, il faut faire preuve d'ingéniosité et d'ingéniosité. Et il faut encore du talent. Cependant, ces qualités ne sont superflues dans aucune entreprise. Des personnes de diverses spécialités participent à la création des matériaux. Les scientifiques théoriques des matériaux sont des physiciens, des chimistes et des mécaniciens qui étudient les lois générales du comportement des matériaux. Les scientifiques-technologues des matériaux sont des spécialistes qui utilisent ces modèles pour créer de nouveaux matériaux et développer des méthodes pour leur production. Ils font le lien entre la théorie et la pratique. Et il existe également des technologues de production qui travaillent directement dans les usines et participent au développement de processus permettant de fabriquer des produits dans des conditions industrielles. Nous parlerons du travail des scientifiques et technologues des matériaux.

Technologie des composites - une tâche pour un spécialiste

Prenons par exemple Spécialiste des technologies des composites. Quels problèmes doit-il résoudre ? Voici l'un d'entre eux. Donné : fibres de bore enroulées sur des bobines ; l'aluminium (sous n'importe quelle forme - feuilles, fil, poudre, fonte) peut être choisi à votre discrétion. Obligatoire : connecter les fibres et la matrice d'aluminium entre elles, obtenant ainsi du bore-aluminium à haute résistance. Le technologue doit décider comment procéder. Pour rendre la conversation plus précise, voyons comment obtenir un tel composite sous la forme d'une feuille dans laquelle toutes les fibres sont réparties uniformément sur la section transversale et disposées parallèlement les unes aux autres. Résoudre un problème donné, c’est répondre à trois questions fondamentales :

1. Comment assurer la pose des fibres dans une direction donnée ?
2. Comment introduire des fibres dans la matrice pour obtenir une feuille ayant la structure et les propriétés requises ?
3. Comment éviter le ramollissement et la destruction des fibres lors du processus de fabrication du matériau, tout en assurant leur forte liaison avec la matrice ?

La question « comment ? » poursuit constamment les technologues. Et un compagnon constant apparaît toujours à côté de lui - "pourquoi ?" Répondez à la question « pourquoi ? » - signifie trouver la raison qui provoque tel ou tel phénomène. Et la réponse à la question « comment ? doit indiquer des moyens de résoudre le problème. Tout spécialiste scientifique est obligé de rechercher constamment des réponses à ces questions et il n’a aucun espoir de s’en débarrasser. Dès que vous répondez à l’une, une autre apparaît, et elle donne à son tour naissance à une avalanche de nouveaux « pourquoi ? Et comment?". Et s’ils cessent de s’inquiéter, il cesse d’être un scientifique. Mais quand même, l'essentiel pour un technologue est de répondre à la question « comment ? C'est son travail. Trois questions principales sont formulées et doivent être prises en compte lors de la résolution d'un problème technologique. Essayons d'y répondre.

Comment orienter les fibres dans un composite

Commençons dans l'ordre. Comment orienter les fibres dans un composite? S'ils étaient suffisamment épais, comme les tiges d'acier avec lesquelles ils sont renforcés, il n'y aurait pas de problèmes particuliers. Vous pouvez en placer un à la fois dans des nids spécialement préparés.
Les fibres comme base des composites. Mais nous devons composer avec des fibres fines d'un diamètre d'environ 100 microns. Dans une feuille de 5 mm d'épaisseur et 500 mm de large, il y en aura plus de 100 000 ; poser manuellement chaque fibre dans un endroit désigné à l'avance est clairement une tâche irréaliste. Une machine peut faire cela. Il faut tenir compte du fait que les fibres ne doivent pas se toucher ; elles doivent être placées à une certaine distance les unes des autres pour assurer la concentration requise dans la matrice. Ici, vous pouvez proposer plusieurs options, mais l'une des meilleures est probablement celle qui est largement utilisée dans la pratique aujourd'hui - méthode d'enroulement. Ils prennent un tambour cylindrique dont la circonférence est égale à la longueur de la future feuille, l'installent sur un tour et y enroulent des fibres à une distance donnée. L’idée est ensuite de couper toutes les fibres le long de la génératrice du cylindre et de les déplier dans un plan, ce qui donne une couche de fibres parallèles. La longueur de cette couche est égale à la circonférence du tambour. Et afin de maintenir la position relative des fibres dans la couche, vous devez les attacher d'une manière ou d'une autre avant de les couper. Vous pouvez par exemple l'enduire de colle et le découper le long de la ligne après séchage. Dans ce cas, choisissez la colle de manière à ce que, si nécessaire, elle puisse être facilement enlevée, par exemple brûlée par chauffage.

Comment introduire des fibres dans la matrice

Mais il vaut mieux faire les choses différemment. Utilisez le matériau de la matrice lui-même comme agent de fixation. Vous pouvez alors effectuer deux tâches à la fois afin de maintenir correctement la technologie composite : réparer les fibres dans la position requise et en même temps entrez-les dans la matrice, c'est-à-dire répondre à la deuxième question principale de notre tâche. Pas une mauvaise idée. Mais encore une fois, le même problème persistant se pose : comment ? Comment faire? Vous ne pouvez pas vous débrouiller sans connaissances en physique et en chimie.

Méthode électrochimique

Peut être utilisé méthode électrochimique, en appliquant un revêtement galvanique de matrice métallique sur le tambour sur lequel sont enroulées des fibres. Ce n'est pas très difficile en principe, mais :

1. prend beaucoup de temps
2. tous les métaux ne peuvent pas être appliqués de cette façon,
3. Il est difficile de garantir la composition de matrice souhaitée lorsqu’il s’agit d’alliages complexes.

Mais pour certains composites, par exemple avec des matrices en cuivre ou en nickel, la méthode est tout à fait acceptable. Même s'il vaudrait mieux trouver quelque chose de plus universel. Vous pouvez trouver une autre façon. Trempez simplement le tambour avec les fibres enroulées dans l'aluminium fondu et, après l'avoir retiré, laissez-le refroidir rapidement jusqu'à cristallisation. Cela semble simple, mais cette simplicité est trompeuse. Le métal liquide s'écoulera et il ne sera donc pas possible de recouvrir uniformément toute la monocouche avec la matrice. De plus, dans certains cas, le métal en fusion peut interagir activement avec le tambour lui-même, corrodant sa surface et la surface des fibres, ce qui est extrêmement indésirable, car le tambour perdra ses dimensions et les fibres se ramolliront et deviendront cassantes. .

Projection plasma de revêtements

Voici l'option la plus appropriée. Utiliser pulvérisation plasma de revêtements. Dans cette méthode, le matériau de la matrice est fondu par un flux de plasma à basse température (gaz ionisé avec une température moyenne d'environ 10 000 K), et par le même flux il est pulvérisé et transféré à la surface du tambour, recouvrant les fibres. et combler les écarts entre eux. Le flux de plasma est obtenu à l'aide d'un dispositif spécial - un plasmatron, dans lequel le gaz de travail (azote, argon, hydrogène, hélium, etc.) est ionisé sous l'action d'une décharge d'arc. Bien que le plasma produit dans les plasmatrons conventionnels soit dit à basse température, cette « basse » température (10 000 K) est largement suffisante pour faire fondre n'importe quel matériau existant dans la nature. Des gouttelettes de métal en fusion atteignent le tambour froid et, en lui dégageant de la chaleur, se cristallisent, formant un revêtement uniforme sur le tambour s'il tourne uniformément. Le matériau à projeter (dans notre cas, l'aluminium) est généralement introduit dans le jet plasma sous forme de poudre ou de fil. Extérieurement, le processus d'application de revêtements plasma ressemble à une peinture avec un pistolet pulvérisateur. Seulement, au lieu d'un pistolet pulvérisateur, il y a un plasmatron et au lieu de peinture, il y a un alliage matriciel. En principe, il n'est pas nécessaire d'utiliser du plasma à cet effet ; vous pouvez vous en sortir avec un chalumeau à gaz ou un autre appareil, mais la pulvérisation plasma est très pratique et est largement utilisée dans la création de composites. La monocouche renforcée obtenue après pulvérisation est découpée le long d'une des génératrices du cylindre et dépliée selon un plan. La résistance du revêtement est suffisante pour empêcher les fibres de bouger les unes par rapport aux autres, mais pas suffisante pour assurer une résistance élevée du composite. L'épaisseur des monocouches obtenues est généralement d'un diamètre et demi à deux diamètres de fibres, soit environ 200 microns, et permettez-moi de vous rappeler qu'il nous faut une feuille de 5 mm d'épaisseur. Que dois-je faire? Encore une fois « comment ? »

Roulage monocouche

Cette fois, vous n'avez pas à chercher longtemps la réponse : vous devez réaliser un gâteau en couches à partir des monocouches obtenues, c'est-à-dire les rassembler dans un sac de l'épaisseur requise et les compacter d'une manière ou d'une autre, en les reliant de manière indissociable les unes aux autres. autre. Cela peut être fait, par exemple, monocouches roulantes ou pressage à chaud. Dans le premier cas, l'emballage est chauffé dans un four et passé entre des rouleaux rotatifs. Lors du laminage, les monocouches sont reliées en un matériau monolithique et le matériau de matrice de chaque monocouche est compacté, ce qui entraîne une augmentation de la résistance de la matrice et de la force de sa liaison avec les fibres.

Pressage à chaud de monocouches

Parfois, il est plus judicieux de compacter les paquets de monocouches non pas par roulage, mais pressage à chaud. Pour ce faire, ils sont placés dans un moule dont la longueur et la largeur du plan de travail correspondent aux dimensions des monocouches, et pressés par le haut avec un poinçon. Le moule est chauffé afin que la température de processus requise puisse être atteinte. Le sac chauffé est compacté, d'où son nom - pressage à chaud. Pour qu'une liaison forte se forme entre les monocouches et que toutes les particules du métal de matrice déposé se soudent ensemble pour former un monolithe, il est nécessaire de le maintenir sous pression, permettant ainsi aux processus de diffusion de faire leur travail. Ce sont ces processus, associés à la pression, qui confèrent aux propriétés mécaniques élevées de notre gâteau en couches. C'est pourquoi cette méthode de production de composites est parfois appelée soudage par diffusion.

Technologie composite sous forme de tige ou de profil complexe

En relation avec la tâche à accomplir, nous avons répondu à la deuxième question : comment introduire les fibres dans la matrice. Mais que se passe-t-il si vous avez besoin d'obtenir un composite sous la forme d'une tige ou d'un profil complexe ? Un autre « comment ». Vous pouvez à nouveau recourir à roulage de sacs monocouches, non seulement en rouleaux lisses, mais en rouleaux calibrés, c'est-à-dire ayant des coupes spéciales qui correspondent à la configuration requise. Ou vous pouvez utiliser ce qu'on appelle méthodes en phase liquide , lorsque la matrice est à l'état liquide lors de la fabrication du composite. Les fibres, se déroulant des bobines (le nombre de bobines est égal au nombre de fibres dans le composite), passent, sans se toucher, dans un bain de métal matriciel en fusion, sont mouillées par celui-ci et entrent dans une filière qui forme une tige de la section souhaitée. Après cela, la tige est refroidie, le métal de la matrice durcit, formant un matériau composite avec les fibres. De cette manière, il est possible d'obtenir des tiges d'une grande variété de profils. Les produits aux profils complexes, tels que les aubes de turbine, peuvent être facilement fabriqués par imprégnation. Les fibres sont placées dans un moule de coulée dont la cavité de travail correspond à la forme de la lame (comment procéder est une question distincte que nous n'examinerons pas maintenant, mais cela peut être fait, bien que pas facilement), puis du liquide le métal de la matrice est coulé dans le moule. Les espaces entre les fibres sont généralement petits et il est difficile pour le métal en fusion de les combler, mais ils doivent être comblés le plus rapidement possible afin que les fibres n'aient pas le temps de se dissoudre dans la matrice. Par conséquent, dans la plupart des cas, l’imprégnation est réalisée sous pression. Le moule de coulée est évacué et le métal liquide y pénètre sous pression atmosphérique. En règle générale, une différence de pression d’une atmosphère suffit pour une imprégnation rapide et fiable. Mais ce n'est le cas que lorsque les fibres sont mouillées par le métal fondu de la matrice. Si cela ne se produit pas, des mesures doivent être prises. Par exemple, les fibres de carbone ne sont pas mouillées par l'aluminium liquide, il n'est donc pas possible d'obtenir du carbone-aluminium en imprégnant simplement des fils de graphite avec de l'aluminium. Mais si vous enduisez d'abord ces fils avec la couche la plus fine de chrome ou de nickel (il suffit d'appliquer un revêtement d'un micromètre d'épaisseur), bien mouillés par l'aluminium, l'imprégnation sera assurée et un composite pourra être obtenu. La tâche principale d'un technologue est de répondre à la question « comment ? » Comment faire? Des réponses correctes à cette question peuvent être données si les réponses à la question « pourquoi ? » sont connues. Imaginez un mécanicien automobile qui sait serrer les boulons et les écrous, mais ne connaît pas la structure de la voiture. Il ne vaut rien. De même, un technologue qui ne comprend pas la physique des processus qui se produisent lors de l'obtention d'un matériau est un spécialiste inférieur. Par exemple, un technologue sait que dans de nombreux cas, après chauffage, le composite se ramollit. Le problème se pose immédiatement : comment y faire face ? Cette question est similaire au troisième « comment ? » posé au début de la conversation. Et pour résoudre ce problème, vous devez savoir pourquoi le composite se ramollit. La réponse à ces questions est apportée par la technologie composite.