Nowoczesne technologie wymagające intensywnej nauki. Nowoczesne technologie intensywnie wykorzystujące naukę Technologie kompozytowe

Poświęciłem się historii materiałów kompozytowych. Wciąż zajmuję się tym tematem i dzisiaj chcę trochę opowiedzieć o terminach i technologiach prototypowania z użyciem kompozytów polimerowych. Jeśli nie masz nic do roboty w długie zimowe wieczory, zawsze możesz zrobić z włókna węglowego deskę snowboardową, skorupę motocykla lub etui na smartfona. Oczywiście proces może okazać się droższy niż zakup gotowego produktu, ale ciekawie jest zrobić coś własnymi rękami.

Pod cięciem - przegląd metod wytwarzania produktów z materiałów kompozytowych. Byłbym wdzięczny za dodanie mnie w komentarzach, aby wynik był pełniejszy.

Materiał kompozytowy powstaje z co najmniej dwóch składników z wyraźną granicą między nimi. Istnieją warstwowe materiały kompozytowe - na przykład sklejka. We wszystkich pozostałych kompozytach składniki można podzielić na osnowę lub spoiwo oraz elementy wzmacniające - wypełniacze. Kompozyty dzieli się zwykle ze względu na rodzaj wypełniacza wzmacniającego lub materiału osnowy. Więcej o zastosowaniu kompozytów przeczytasz w poście Historia materiałów kompozytowych, a ten post dotyczy metod wytwarzania produktów z kompozytów.

formowanie ręczne

W przypadku produkcji pojedynczych elementów najczęstszą metodą jest formowanie ręczne. Na przygotowaną matrycę nakładany jest żelkot - materiał pozwalający na uzyskanie dobrego wykończenia zewnętrznej części wzmocnionego materiału, co również pozwala na dobór koloru produktu. Następnie w matrycy umieszczany jest wypełniacz - na przykład włókno szklane - i impregnowany spoiwem. Usuwamy bąbelki powietrza, czekamy, aż wszystko ostygnie i uszlachetniamy pilnikiem - wycinamy, wiercimy i tak dalej.

Ta metoda jest szeroko stosowana do tworzenia części karoserii samochodów, motocykli i motorowerów. Czyli do strojenia w przypadkach, w których nie ogranicza się do przyklejenia folii „pod węglem”.

Rozpylający

Rozpylanie nie wymaga cięcia materiału szklanego, lecz wymaga użycia specjalnego sprzętu. Ta metoda jest często używana do pracy z dużymi obiektami, takimi jak kadłuby łodzi, pojazdy itp. Podobnie jak w przypadku formowania ręcznego najpierw nakładany jest żelkot, a następnie materiał szklany.

RTM (wtrysk)

Przy metodzie wtrysku żywicy poliestrowej do zamkniętej formy wykorzystuje się oprzyrządowanie z matrycy i formy odwrotnej - stempla. Materiał szklany umieszcza się pomiędzy matrycą a obustronną formą, a następnie pod ciśnieniem wlewa się do formy utwardzacz - żywicę poliestrową. I oczywiście wykończenie pilnikiem po utwardzeniu ma smak.

Infuzja próżniowa

Metoda infuzji próżniowej wymaga worka, w którym za pomocą pompy wytwarzana jest próżnia. Samo opakowanie zawiera materiał wzmacniający, którego pory po wypompowaniu powietrza wypełniane są płynnym spoiwem.

Przykładową metodą jest wykonanie deskorolki.

meandrowy

Metoda nawijania kompozytów umożliwia wykonanie ultralekkich butli na sprężony gaz, do których stosuje się liner PET pompowany do 2-5 atmosfer, a także rur kompozytowych stosowanych w przemyśle naftowym, chemicznym i użyteczności publicznej. Z nazwy łatwo zrozumieć, że włókno szklane jest owinięte wokół poruszającego się lub nieruchomego obiektu.

Na wideo - proces nawijania włókna szklanego na balon.

pultruzja

Pultruzja to „ciągnięcie”. Dzięki tej metodzie następuje ciągły proces przeciągania materiału kompozytowego przez ciągarkę. Szybkość procesu wynosi do 6 metrów na minutę. Włókna przechodzą przez kąpiel polimerową, gdzie są impregnowane spoiwem, po czym przechodzą przez preformer, uzyskując ostateczny kształt. Następnie materiał jest podgrzewany w formie, a na wyjściu otrzymujemy gotowy utwardzony produkt.

Proces produkcji grodzic metodą pultruzji.

bezpośrednie prasowanie

Wyroby termoplastyczne wytwarzane są w formach pod ciśnieniem. W tym celu stosuje się wysokotemperaturowe prasy hydrauliczne o sile od 12 do 100 ton i maksymalnej temperaturze około 650 stopni. W ten sposób powstają np. plastikowe wiaderka.

Formowanie w autoklawie

Autoklaw jest niezbędny do prowadzenia procesów z ogrzewaniem i pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego w celu przyspieszenia reakcji i zwiększenia wydajności produktu. Materiały kompozytowe umieszczane są wewnątrz autoklawu na specjalnych formach.

Produkty kompozytowe

Materiały kompozytowe są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym. Na przykład z nich zbudowany jest Solar Impulse.

Przemysł samochodowy

Protezy i ortezy.

Jeśli masz dodatki, koniecznie napisz o nich w komentarzach. Dziękuję Ci.

Materiały kompozytowe to materiały utworzone z kilku komponentów. Są wykonane głównie z plastikowej podstawy, wypełniacza wzmacniającego, a także kilku innych substancji. Dzięki temu kompozyt charakteryzuje się dużą wytrzymałością, sztywnością i wieloma innymi użytecznymi właściwościami.

Technologie kompozytów polimerowych to metody wytwarzania materiałów, których osnowę stanowi polimer. Mają ogromną liczbę rodzajów i gatunków, co zapewniło ich rozpowszechnienie i popularność. Istnieją następujące rodzaje polimerów ceramicznych:

włókno szklane;
włókno węglowe;
boroplastyka;
organoplastyka;
polimery wypełnione proszkami;
tablice tekstowe.

Kompozytowe materiały ceramiczne są stosowane w wielu różnych obszarach, między innymi:

Budowa;
Inżynieria elektryczna;
przemysł chemiczny;
budowa dróg;
telekomunikacja;
przemysł lotniczy itp.

Powszechność i popularność technologii kompozytowych wiąże się z wieloma zaletami tej metody wytwarzania materiałów. Warto zwrócić uwagę na następujące pozytywne cechy:

Ulepszone właściwości fizyczne i chemiczne;
raczej niski ciężar właściwy;
odporność na zjawiska korozyjne, gnicie lub wypaczenie;
niska toksyczność podczas spalania;
niepalność lub trudnopalność;
wyjątkowa odporność chemiczna;
niski współczynnik rozszerzalności liniowej dzięki działaniu ciepła;
dość szeroki zakres temperatur funkcjonalności;
wysokie właściwości elektroizolacyjne;
zwiększona przyjazność dla środowiska.

W XXI wieku materiały kompozytowe na bazie polimerów ceramicznych stały się jedną z najpopularniejszych substancji, za pomocą której rozwiązują różne problemy technologiczne w różnych dziedzinach, takich jak budownictwo, inżynieria czy inne gałęzie przemysłu. Udało się to osiągnąć dzięki wielu zaletom, które wyróżniają kompozyty spośród innych popularnych dotychczas materiałów.

Odbudowa koła ukośnego pompy

Materiały kompozytowe można również wykorzystać do przywrócenia ukośnego wirnika pompy. Z podobnym zleceniem naprawy przepompowni ścieków KSB Sewatec, do Cerametu zwróciło się przedsiębiorstwo MP Angarsk Vodokanal.

W ciągu trzech lat eksploatacji wydajność pompy spadła do 70%, począwszy od pierwszego dnia jej eksploatacji. W ramach naprawy odtworzono metal, zastosowano materiał kompozytowy oraz wyważenie dynamiczne. Tym samym, dzięki zastosowaniu technologii kompozytowych, udało się wydłużyć żywotność pompy i osiągnąć 4,5-krotną oszczędność kosztów.

Cechy materiału Ceramet

Kompozytowe materiały ceramiczne Ceramet są przeznaczone do ochrony sprzętu, przedłużając jego żywotność i zwiększając jego żywotność. To znacznie ogranicza przestoje i konieczność zakupu dodatkowych części zamiennych.

Cechą materiału Ceramet jest dość szeroki zakres zastosowań, na który składają się:

Naprawa sprzętu pompującego;
odnowienie śrub;
poprawa funkcjonalności wymienników ciepła;
naprawa rurociągów, rynien itp.

Dzięki temu materiał kompozytowy Ceramet może być wykorzystywany do wielu różnych celów, co jest korzystniejsze niż stosowanie innych metod odnowy sprzętu.

1

W artykule przedstawiono aktualny stan technologii wytwarzania wyrobów z materiałów kompozytowych, w tym informacje o stosowanych technologiach, oprogramowaniu, oprzyrządowaniu do tworzenia matryc, sprzęcie do tworzenia wyrobów kompozytowych, sprzęcie do kontroli geometrii wyrobu oraz badaniach nieniszczących .

materiały kompozytowe

oprogramowanie

sprzęt do produkcji matryc

1. Nowoczesne materiały kompozytowe / wyd. P. Krok i L. Brouman; za. z angielskiego. - M., 1978.

2. Konstrukcja i wytrzymałość kadłubów statków i statków wykonanych z włókna szklanego. Zagraniczny przemysł stoczniowy w latach 1965 - 1973 // Przemysł stoczniowy, 1973.

3. Frolov S.E. Metody tworzenia nowych makroniejednorodnych materiałów kompozytowych i rozwiązania technologiczne do wytwarzania z nich konstrukcji kadłubowych // Przemysł stoczniowy nr 3 2003, s. 55-59.

4. CAE - technologie 2012: przegląd osiągnięć i analiza rynku. – Obserwator CAD/CAM/CAE #4 (80) / 2013.

5. Wywiad z V.A. Seredka i A.Yu. Sofronowa do obserwatora CAD/CAM/CAE #2 (78) / 2013.

6. Inteligentne technologie dla przemysłu lotniczego. Zwiększanie konkurencyjności krajowych przedsiębiorstw produkujących samoloty na przykładzie wspólnych projektów firmy Solver i JSC VASO // CAD i grafika, nr 1. 2011. str. 56-62.

7. Łukjanow N.P. Doświadczenie w stosowaniu materiałów kompozytowych do budowy statków PMO // Przemysł stoczniowy. nr 3. 2007. S. 19-26.

Materiał kompozytowy to materiał, którego struktura składa się z kilku składników o różnych właściwościach fizycznych i mechanicznych: osnowy metalicznej lub niemetalicznej z określonym rozkładem w nich utwardzaczy, ich połączenie nadaje materiałowi kompozytowemu nowe właściwości. W zależności od charakteru struktury, materiały kompozytowe dzielą się na włókniste, wzmocnione ciągłymi włóknami i wiskerami, materiały wzmocnione dyspersyjnie otrzymane przez wprowadzenie do matrycy rozproszonych cząstek utwardzaczy, materiały warstwowe powstałe przez prasowanie lub walcowanie materiałów niepodobnych.

Obecnie materiały kompozytowe są szczególnie poszukiwane w różnych gałęziach przemysłu. Pierwsze statki z włókna szklanego powstały w drugiej połowie lat 30. XX wieku. Od lat 50. przemysł stoczniowy z włókna szklanego stał się powszechny na świecie, zbudowano znaczną liczbę jachtów, łodzi roboczych i ratowniczych oraz łodzi rybackich, desantowych itp. Jednym z pierwszych zastosowań w lotnictwie materiałów kompozytowych była produkcja paneli z włókna węglowego w 1967 roku do krawędzi spływu skrzydła samolotu F-111A. W ostatnich latach w produktach lotniczych coraz częściej można spotkać konstrukcje wykonane z trójwarstwowej „kanapki” z aluminiowym wypełniaczem o strukturze plastra miodu i powłokami z włókna węglowego. Obecnie około 50% całkowitej masy Boeinga 787 lub Airbusa A350 to materiały kompozytowe. W branży motoryzacyjnej od dawna stosowane są materiały kompozytowe, opracowano głównie technologię wytwarzania aerodynamicznego zestawu nadwozia. Materiały kompozytowe są wykorzystywane w ograniczonym zakresie do produkcji części zawieszenia i silnika.

Jednak do niedawna przedsiębiorstwa stosowały głównie ręczne układanie części z kompozytów, a seryjna produkcja wytwarzanych wyrobów nie wymagała głębokiej automatyzacji procesów. Dziś, wraz z rozwojem konkurencji na rynku, nie można obejść się bez nowoczesnych narzędzi do projektowania i przygotowania produkcji, a także bez efektywnego sprzętu do pracy z kompozytami.

Technologie tworzenia produktów z materiałów kompozytowych

W większości przypadków jako spoiwo stosuje się żywicę termoutwardzalną utwardzaną chemicznie, proces utwardzania charakteryzuje się egzotermiczną reakcją chemiczną. Stosowane są głównie żywice poliestrowe, epoksydowe, fenolowe i wysokotemperaturowe. Najczęściej przy produkcji części o złożonej konfiguracji stosuje się technologie, których istotą jest układanie „suchej” podstawy, a następnie impregnacja kompozycją spoiwa (formowanie „na mokro”, nawijanie, wtrysk, formowanie żywicą / RTM) lub naprzemiennie układanie „suchego” podłoża za pomocą kleju do folii (impregnacja próżniowa, żywica infuzyjna / RFI). Istnieje kilka głównych technologii wytwarzania części z materiałów kompozytowych, w tym metody ręczne i automatyczne:

• impregnacja włókien wzmacniających materiałem matrycowym;
• tworzenie w formie taśm utwardzacza i osnowy otrzymanej przez nawijanie;
• prasowanie na zimno elementów, a następnie spiekanie;
• elektrochemiczne powlekanie włókien z późniejszym prasowaniem;
• osadzanie matrycy przez natryskiwanie plazmowe na utwardzacz, a następnie prasowanie;
• partiami zgrzewania dyfuzyjnego jednowarstwowych taśm komponentów;
• wspólne walcowanie elementów zbrojeniowych z matrycą itp.

Ponadto upowszechniła się technologia wytwarzania części z wykorzystaniem prepregów (półfabrykatów, które są materiałem bazowym impregnowanym kompozycją wiążącą).

Oprogramowanie

Zadaniem projektowania produktu z materiałów kompozytowych jest właściwy dobór składu zapewniającego kombinację właściwości wymaganych w konkretnym przypadku eksploatacyjnym. Podczas projektowania wzmocnionych polimerowych materiałów kompozytowych szeroko stosuje się komputerowe przetwarzanie danych, dla którego opracowano wiele różnych produktów oprogramowania. Ich zastosowanie pozwala na poprawę jakości wyrobów, skrócenie czasu opracowywania i organizacji produkcji konstrukcji, kompleksowe, sprawne i szybkie rozwiązywanie problemów ich racjonalnego projektowania. Uwzględnienie obciążeń nierównomiernych pozwala na zaprojektowanie konstrukcji kadłuba wykonanej ze wzmocnionego kompozytu o zróżnicowanej grubości, która może się zmieniać dziesiątki razy.

Nowoczesne oprogramowanie można podzielić na dwie grupy: te, które wykonują analizę wsadową laminatów w formule „dwuwymiarowej” lub „belka/płyta” oraz w formule trójwymiarowej. Pierwsza grupa to programy typu Laminator, VerctorLam Cirrus itp. Rozwiązaniem „trójwymiarowym” jest metoda elementów skończonych, a wśród dostępnych produktów programowych jest duży wybór. Na rynku „technologii modelowania kompozytów” dostępne są różne produkty programowe: FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software), Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.), Helius (Firehole Composites / Autodesk), ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair Inżynieria) itp. .

Prawie każde specjalistyczne oprogramowanie różnych firm ma możliwość integracji z wysokopoziomowymi systemami CAD - Creo Elements/Pro, Siemens NX, CATIA. Ogólnie praca jest następująca: wybiera się materiał warstw, określa się ogólne parametry pakietu warstw, określa się sposób formowania warstw, do wytwarzania prostych części stosuje się metodę warstwa po warstwie, w przypadku produktów złożonych stosuje się metody projektowania strefowego lub konstrukcyjnego. W procesie układania warstw ustalana jest ich kolejność. W zależności od metody produkcji wyrobu (ręczne układanie, formowanie, układanie taśmy, układanie włókna) przeprowadzana jest warstwa po warstwie analiza materiału pod kątem ewentualnych odkształceń. Skład warstw dostosowany jest do szerokości użytego materiału.

Po zakończeniu formowania warstw użytkownik otrzymuje dane o produkcie, pozwalające na wykorzystanie ich do różnych celów, np.:

• wyjście w postaci dokumentacji projektowej;
• używać jako danych wyjściowych do cięcia materiału;
• dane początkowe dla projektora laserowego do oznaczania konturów miejsc do układania wzorów.

Przejście na nowoczesne technologie projektowania i przygotowania produkcji wyrobów pozwala:

• zmniejszyć zużycie materiałów kompozytowych dzięki zastosowaniu precyzyjnych rozwiertaków i maszyn do cięcia;
• zwiększyć szybkość i poprawić jakość ręcznego układania materiału dzięki zastosowaniu precyzyjnych wykrojów i laserowych rzutów miejsc ich układania;
• osiągnięcie wysokiego poziomu powtarzalności produktu;
• zmniejszenie wpływu czynnika ludzkiego na jakość wytwarzanych produktów;
• zmniejszenie wymagań do kwalifikacji personelu zajmującego się układaniem.

Sprzęt do produkcji matryc

Wykonanie modelu wzorcowego z drewna jest procesem czasochłonnym i czasochłonnym, w celu skrócenia czasu wykonania matrycy i zwiększenia dokładności wykorzystywane są frezarki CNC trzy/pięcioosiowe, maszyny kontrolno-pomiarowe czy skanery 3D.

Frezarka portalowa pięcioosiowa (rys. 1) jest dostępna tylko dla dużych producentów. Małe firmy wykorzystują frezujące kompleksy robotyczne na blokach liniowych (liniowa jednostka robota) (rys. 2) lub wykonują modele wzorcowe z sklejonego przedmiotu obrabianego. W tym przypadku podstawą przedmiotu obrabianego jest sztywna pusta rama, która jest przyklejana na zewnątrz, a następnie całkowicie przetwarzana. Firmy, które nie mają możliwości obróbki całego produktu, podążają inną ścieżką: Najpierw budowany jest uproszczony model 3D produktu przy użyciu płaszczyzn w systemie CAD, a na podstawie uproszczonego modelu projektowana jest sztywna rama ze sklejki. Cała powierzchnia zewnętrzna jest wówczas reprezentowana w systemie CAD jako okładzina ramy wewnętrznej. Wymiary okładziny dobierane są w taki sposób, aby można było ją wyfrezować na istniejącej frezarce CNC (rys. 3). Następnie dokładnie zmontowaną ramę okleja się okładziną modelową. Dzięki tej metodzie dokładność wzorcowego modelu jest mniejsza i wymagane jest ręczne wykańczanie połączeń okładziny, ale pozwala to na tworzenie produktów, których wymiary znacznie przekraczają możliwości istniejących maszyn CNC.

Ryż. 1. Frezarka pięcioosiowa MR 125, zdolna do obróbki detali o wymiarach 15x5 m i wysokości do 2,5 m

Ryż. 2. Kompleks robotów frezujących Kuka

Ryż. 3. "Mała" pięcioosiowa frezarka

Sprzęt do tworzenia kompozytów

Pierwszym krokiem w mechanizacji procesu formowania było zastosowanie maszyn impregnujących, które oprócz impregnacji montują tkaniny szklane lub włókno szklane w wielowarstwowe worki o łącznej grubości 4–5 mm. Aby zmechanizować procesy, zmniejszyć prawdopodobieństwo błędu personelu i zwiększyć wydajność, na przykład stosuje się metodę natryskiwania, którą można wykorzystać do uzyskania zewnętrznej powłoki, paneli grodziowych i innych konstrukcji z włókna szklanego. Metoda natryskowa umożliwia zmechanizowane otrzymywanie kwadratów formierskich i zapewnia wyższą wydajność pracy w porównaniu z kwadratami formowanymi ręcznie z pasków włókna szklanego lub włókna szklanego. Kolejnym etapem rozwoju produkcji wyrobów z kompozytów jest wprowadzenie instalacji do automatycznego nawijania układu wypełniaczy z włókna węglowego. Pierwszego „robota” przeznaczonego do układania tkanin typu suchej rolki zademonstrowała amerykańska firma Magnum Venus Plastech. Po raz pierwszy w Rosji taki sprzęt został wprowadzony w JSC VASO. Urządzenie to umożliwia produkcję elementów kompozytowych o długości do 8 m i średnicy do 3 m (rys. 4).

Aby ułatwić ręczne układanie tkanin i zmniejszyć ilość odpadów, do automatycznego cięcia tkanin/prepregów stosuje się maszyny tnące, projektory laserowe LAP i LPT do rzutowania konturów podczas układania prepregu na sprzęcie produkcyjnym. Za pomocą modułu do projekcji laserowej (rys. 5) możliwe jest automatyczne generowanie danych do projekcji bezpośrednio z modelu 3D produktu kompozytowego. Taki schemat pracy znacząco obniża koszty czasu, zwiększa wydajność procesów, zmniejsza prawdopodobieństwo defektów i błędów oraz ułatwia zarządzanie danymi. Kompleks „oprogramowanie – maszyna do cięcia – laser projekcyjny” w porównaniu do tradycyjnego układania zmniejsza pracochłonność cięcia o około 50%, pracochłonność układania o około 30%, zwiększa stopień wykorzystania materiałów, czyli Ty może zaoszczędzić od 15 do 30% materiału.

Formowanie tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym metodą nawijania umożliwia uzyskanie produktów o najwyższych parametrach odkształceniowych i wytrzymałościowych. Metody nawijania dzielą się na „suche” i „mokre”. W pierwszym przypadku do nawijania stosuje się prepregi w postaci nici, wiązek lub taśm. W drugim przypadku materiały wzmacniające są impregnowane spoiwem bezpośrednio podczas procesu nawijania. Ostatnio opracowano sprzęt, który wykorzystuje systemy komputerowe do kontrolowania wzorca orientacji włókien. Umożliwia to uzyskanie produktów rurowych o zagięciach i nieregularnych kształtach, a także produktów o złożonej geometrii. Sprzęt do nawijania jest opracowywany przy użyciu elastycznej technologii, w której wzmacniające materiały włókniste można układać na trzpieniu w dowolnym kierunku.

Ryż. Nawijarka z włókna węglowego 4 MAG Cincinnati Viper 1200 FPS

Ryż. 5. Laserowy system pozycjonowania (zielony kontur)

Sprzęt do sprawdzania geometrii i wewnętrznej struktury produktu

Kontury produktów często mają krzywoliniowe tworzące, których nie można zweryfikować tradycyjnymi metodami „plaz”. Korzystając ze skanowania 3D, możesz określić, jak bardzo fizyczna próbka pasuje do trójwymiarowego modelu komputerowego. Do skanowania 3D można również wykorzystać współrzędnościową maszynę pomiarową typu ramię (CMM) lub bezdotykowy optyczny/laserowy system skanowania. Jednak przy stosowaniu bezdotykowych systemów skanowania z reguły nie mogą one prawidłowo pracować z powierzchniami lustrzanymi i o wysokim połysku. Przy stosowaniu „ramion pomiarowych” konieczne będzie kilka kolejnych resetów, gdyż przestrzeń robocza, ze względu na konstrukcję ramion pomiarowych, jest zwykle ograniczona do kuli o promieniu 1,2-3,6m.

Ponadto materiały z włókna szklanego mają wiele problemów. Jednym z głównych jest kontrola jakości gotowego produktu (brak wnęk powietrznych) i korozja podczas pracy. Do badań nieniszczących kadłubów statków wykonanych z kompozytów szeroko stosuje się promienie rentgenowskie, ale z wielu powodów mają one tendencję do ograniczania tego zjawiska. Ostatnio zaczęły pojawiać się publikacje opisujące wykrywanie rozwarstwień za pomocą termografii w podczerwieni (termografy). Jednocześnie zarówno termowizyjne, jak i rentgenowskie metody NDT wykrywające rozwarstwienia nie pozwalają na pomiar ich rozmiarów i określenie głębokości defektów w celu oceny ich wpływu na zmiany charakterystyk wytrzymałościowych.

Wniosek

Obecnie w Rosji prawie dopiero rozpoczyna się intensywny rozwój automatyzacji montażu wyrobów kompozytowych, w tym urządzeń do tworzenia matryc. Najczęściej do „tuningu” samochodów wykonywane są tylko pojedyncze elementy aerodynamicznego zestawu nadwozia. Sukcesem zakończyło się wdrożenie systemu FiberSIM przy projektowaniu i budowie trałowca bazowego projektu 12700 oraz automatycznej układaczu tkanin VASO. Są to jednak odosobnione przykłady, aby zwiększyć konkurencyjność konieczne jest kompleksowe wprowadzenie nowych technologii.

Link bibliograficzny

Czernyszow E.A., Romanow A.D. NOWOCZESNE TECHNOLOGIE DO WYTWARZANIA WYROBÓW Z MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH // Nowoczesne technologie wymagające intensywnej nauki. - 2014 r. - nr 2. - str. 46-51;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33649 (dostęp 25.11.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Historii Naturalnej”

Technologia rakietowa, lotnictwo, inżynieria lotnicza, energetyka jądrowa, inżynieria chemiczna, transport samochodowy, przemysł stoczniowy, elektronika i wiele innych branż potrzebuje materiałów, które mają wysoką wytrzymałość, odporność na ciepło, odporność na ciepło i odporność na ciepło (dobra odporność na propagację pęknięć), niską gęstość , regulowane w szerokim zakresie wskaźniki przewodności cieplnej i elektrycznej, specjalne właściwości optyczne i magnetyczne itp. Wiele istniejących materiałów przemysłowych nie może już dłużej! spełnić te prośby.

Materiał o kompleksie takich cech można uzyskać tylko t podstawa kompozycji. Materiały kompozytowe (CM) to materiały składające się z dwóch lub więcej składników (składników wzmacniających i wiążącej je matrycy) i posiadające specyficzne właściwości, które różnią się od ogólnych właściwości tych składników.

Jeżeli jeden ze składników CM jest ciągły w całej objętości, a drugi jest nieciągły, rozłączony w objętości kompozycji, to pierwszy składnik nazywamy matrycą, a drugi wzmocnieniem lub elementem wzmacniającym. Składniki wzmacniające mogą być różnymi włóknami, proszkami, mikrokulkami, kryształami i „wąsami” z materiałów organicznych, nieorganicznych, metalowych lub ceramicznych. Jako herbata matrycowa

stosuje się syntetyczne substancje wielkocząsteczkowe o różnym składzie chemicznym.

Sama natura była pierwszym twórcą materiałów kompozytowych. Na przykład drewno jest kompozycją składającą się z wiązek włókien celulozowych o wysokiej wytrzymałości o przekroju rurowym, połączonych matrycą materii organicznej (ligniny), która nadaje drewnu sztywność poprzeczną.

Składniki kompozytów nie mogą się nawzajem rozpuszczać ani w inny sposób absorbować. Muszą mieć dobrą przyczepność i być wzajemnie kompatybilne. Właściwości CM nie mogą być określone wyłącznie przez właściwości komponentów, bez uwzględnienia ich interakcji. Każdy składnik ma określoną funkcję i wpływa na właściwości kompozytu. Rozważ wymagania dotyczące wypełniaczy wzmacniających, na przykład dla włókien.

Nitkowaty kształt elementów wzmacniających ma zarówno stronę pozytywną, jak i negatywną. Zaletą włókien jest wysoka wytrzymałość oraz możliwość tworzenia zbrojenia tylko w kierunku, w którym jest to wymagane konstrukcyjnie. Wadą tego kształtu jest to, że włókna są w stanie przenosić obciążenie tylko w kierunku swojej osi, natomiast w kierunku prostopadłym nie dochodzi do wzmocnienia, aw niektórych przypadkach może nawet wystąpić zmiękczenie.

Włókna stosowane jako wypełniacze wzmacniające muszą mieć następujące właściwości: wysoka temperatura topnienia, niska gęstość, wysoka wytrzymałość w całym zakresie temperatur roboczych, brak toksyczności podczas wytwarzania i eksploatacji.

Stosowane są głównie trzy rodzaje wypełniaczy: wiskery, drut metalowy i nieorganiczne włókna polikrystaliczne.

Wąsy są uważane za obiecujący materiał do wzmacniania matryc wykonanych z metali, polimerów i ceramiki. Ultrawysoka wytrzymałość w szerokim zakresie temperatur przy niskiej gęstości, obojętność chemiczna w stosunku do wielu materiałów matrycy. realam, wysoka żaroodporność i odporność korozyjna wiskerów tlenków aluminium i magnezu, węglik krzemu czynią z nich niezastąpione elementy wzmacniające. Niestety nadal istnieje wiele trudności w ich praktycznym zastosowaniu. Niezbędne jest rozwiązanie problemów otrzymywania ich na skalę przemysłową, doboru odpowiednich wiskerów, orientowania ich w osnowie oraz sposobów tworzenia kompozycji z wiskersami.

Drut metalowy wykonany ze stali, wolframu, molibdenu i innych metali jest mniej obiecujący niż „wąsy” ze względu na dużą gęstość i niższą wytrzymałość. Ma jednak stosunkowo niski koszt i jest szeroko stosowany jako wzmocnienie, zwłaszcza w przypadku materiałów kompozytowych na bazie metalu.

Polikrystaliczne włókna nieorganiczne produkowane są w dużych ilościach. Wadą tych włókien jest ich bardzo duża podatność na uszkodzenia mechaniczne. Niska gęstość, wysoka wytrzymałość i odporność chemiczna węgla, boru, szkła, węglika krzemu. kwarc i inne włókna pozwalają na ich szerokie zastosowanie do wzmacniania tworzyw sztucznych,

Włókna węglowe należą do najbardziej obiecujących elementów wzmacniających. Charakteryzują się niską gęstością (1430 - 1830 kg/m3), wysoką wytrzymałością (3,5 GPa) i modułem sprężystości (250 - 400 GPa).

Ogólnie włókna węglowe dzielą się na dwa główne typy: włókna o wysokiej wytrzymałości i włókna o wysokiej sprężystości. W produkcji produkowane są głównie włókna o wysokiej wytrzymałości. Wytrzymałość tych włókien na początkowym etapie rozwoju wynosiła 2,5 GPa. Dzięki ulepszeniu technologii (obróbka wstępna, opóźnianie włókien, karbonizacja i wykończenie) zwiększono wytrzymałość np. dla materiału konwencjonalnego do 3,5 GPa.

Przeprowadzone badania wykazały, że wraz ze wzrostem wytrzymałości włókien wytrzymałość materiału kompozytowego z reguły rośnie liniowo. , : ;.,

Zazwyczaj włókna węglowe o wysokiej wytrzymałości uzyskuje się w temperaturze karbonizacji 1000-1500°C, mają one moduł sprężystości 2250-2350 S/mm2. W temperaturze 2000 - 3000oC dzięki procesowi grafityzacji można uzyskać włókna o wyższym module sprężystości.

Do niedawna do produkcji materiałów termoizolacyjnych używano włókien węglowych i wykonanych z nich tkanin. Jednak poprawa. Technologia otrzymywania cienkich włókien łączących wysoką wytrzymałość i sztywność z innymi specjalnymi właściwościami (odporność cieplna, przewodność elektryczna itp.) umożliwiła tworzenie metali i tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi, które charakteryzują się niską sztywnością i dużą wytrzymałością. Takie kompozycje są coraz częściej stosowane w technologii kosmicznej, rakietowej i lotniczej. Najczęściej stosowanymi włóknami węglowymi są wiskoza i poliakrylonitryl.

W zależności od zawartości węgla włókna węglowe dzielą się na trzy grupy:

karbonizowany (nie więcej niż 95% wag. C); - węgiel (91-98% wag. C);

grafit (ponad 98% wag. C).

Sztywne włókno węglowe uzyskuje się, gdy proces technologiczny jest zaprojektowany w taki sposób, aby maksymalna liczba warstw bazowych była równoległa do osi włókna. Aby zwiększyć wytrzymałość włókien węglowych, konieczne jest zmniejszenie rozmiarów krystalitów, które mają doskonalszą strukturę. Jako metody technologiczne, które nadają włóknom węglowym dodatkową sztywność i wytrzymałość, są one stapiane z borem za pomocą dyfuzji z fazy gazowej, włókna są napromieniane neutronami w reaktorze jądrowym, wprowadzanie do nich boraksu przed pirolizą, a także rozciąganie w procesy utleniania i grafityzacji.

Jeśli w cienkich włóknach występują mikrodefekty powodujące lokalne koncentracje naprężeń, to wytrzymałość włókien węglowych spada. Wadliwość włókien powoduje liniową zależność ich wytrzymałości od długości: wraz ze wzrostem długości wytrzymałość znacznie spada, a moduł sprężystości nieznacznie wzrasta. W zależności od poziomu właściwości mechanicznych włókna węglowe dzielą się na trzy grupy: niskie, średnie, wysokie (tabela 1.5)

Tablica 1.5 Właściwości mechaniczne włókien węglowych

Grupa Gęstość Wytrzymałość Moduł sprężystości

y, g/cm3 a, GPa E, GPa

Niski 18 14 42

Średni 18 14 175

Wysoki 18 25 420

Wady włókien węglowych obejmują ich tendencję do utleniania się w powietrzu, aktywność chemiczną podczas interakcji z matrycami metalowymi oraz stosunkowo słabą adhezję do matryc polimerowych.

Obróbka powierzchniowa włókien jest ważnym procesem pod względem zwiększania ich przyczepności do matrycy. Zwykle przeprowadza się obróbkę powierzchniową włókien węglowych poprzez ich utlenianie w fazie gazowej.

Obecność w nich metali i innych substancji nieorganicznych wpływa na właściwości włókien węglowych. W szczególności zawartość metali alkalicznych, takich jak sód i potas, ma negatywny wpływ na odporność na utlenianie po podgrzaniu, a fosfor i bor mają pozytywny wpływ.

Wszystkie materiały kompozytowe dzielą się na izotropowe i anizotropowe. Materiały izotropowe to materiały, które mają te same właściwości we wszystkich kierunkach, podczas gdy materiały anizotropowe są różne.

Elementy wzmacniające mogą mieć w przybliżeniu równopodstawowy kształt lub być krótkimi (dyskretnymi) cząstkami w kształcie igieł losowo zorientowanych w przestrzeni. Jako takie cząstki zwykle stosuje się segmenty włókien lub „wąsy”. W tym przypadku QM okazują się quasi-izotropowe, tj. anizotropowy w mikroobjętościach, ale izotropowy w objętości całego produktu.

CMy anizotropowe obejmują materiały, których włókna są zorientowane w określonych kierunkach - jednokierunkowe, warstwowe i wzmocnione trójwymiarowo. Obrazy anizotropowych CM przedstawiono na ryc. 1,24, 1,25.

Ryż. 1.24. Schematyczne przedstawienie struktury CM przez poprzeczne układanie włókien

z podłużnym

Ryż. 1.25. Schematyczne przedstawienie struktury jednokierunkowego CM (obszary czarne - włókna; białe - matryca)

Anizotropia technologiczna występuje podczas odkształcania plastycznego materiałów izotropowych (metali). Anizotropia fizyczna jest charakterystyczna dla kryształów w związku z cechami strukturalnymi ich sieci krystalicznej.

W inżynierii zwykle stosuje się anizotropowe CM o określonej symetrii właściwości.

Równie ważną rolę we wzmocnionych kompozycjach odgrywa osnowa, która nadaje produktowi kształt i sprawia, że ​​materiał jest monolityczny. Łącząc wiele włókien w jedną całość, matryca powinna umożliwiać kompozycji dostrzeganie różnego rodzaju obciążeń zewnętrznych – rozciągania, ściskania, zginania, ścinania itp. Jednocześnie bierze udział w tworzeniu nośności kompozycji , zapewniający przeniesienie sił na włókna. Dzięki plastyczności osnowy siły z włókien zniszczonych lub dyskretnych (krótkich) przenoszą się na sąsiednie włókna, a koncentracja naprężeń przy różnego rodzaju defektach maleje. Matryca pełni również rolę powłoki ochronnej, która chroni włókna przed uszkodzeniami mechanicznymi i utlenianiem. Ponadto matryca musi zapewniać wytrzymałość i sztywność układu pod działaniem obciążenia rozciągającego lub ściskającego w kierunku prostopadłym do elementów wzmacniających. Jeżeli obciążenie rozciągające jest skierowane wzdłuż osi włókien równoległych do siebie, to w celu uzyskania efektu wzmocnienia ostateczne wydłużenie względne osnowy musi być co najmniej równe wydłużeniu względnemu włókien. Jeśli obciążenie jest prostopadłe do osi włókien, to nie wystarczy. W tym przypadku obciążenie na włókna przenoszone jest tylko przez osnowę, a im większa koncentracja włókien i stosunek modułów sprężystości materiałów włókna do osnowy, tym większe powinno być ostateczne odkształcenie osnowy . Prace ewaluacyjne wykonane na modelach sprężystych pokazują, że aby zapewnić solidność CM pod obciążeniem poprzecznym, potrzebne są macierze, których wydłużenie względne jest kilkakrotnie wyższe niż średnie odkształcenie włókien.

Chęć uzyskania maksymalnej wytrzymałości kompozycji ma tendencję do zwiększania udziału objętościowego włókien. Jeśli jednak wydłużenie względne osnowy jest niewielkie, to w przypadku dużych wartości tego ułamka, solidność CM może zostać zerwana nawet przy niewielkich obciążeniach: pojawią się rozwarstwienia i pęknięcia. Okazało się, że im bardziej plastyczna jest osnowa, tym mniejsza jest dopuszczalna grubość międzywarstwy osnowy między włóknami i tym więcej włókien można wprowadzić do CM.

W zależności od materiału osnowy, wszystkie CM można podzielić na trzy grupy: kompozycje z osnową metalową – metalowymi materiałami kompozytowymi (MCM), z polimerem – polimerowymi materiałami kompozytowymi (PCM) oraz z ceramiką – ceramicznymi materiałami kompozytowymi (CMC). Polimerowe CM są zwykle nazywane zgodnie z materiałem włókien wzmacniających: wzmocnione włóknami szklanymi nazywane są włóknem szklanym (włóknem szklanym), metalem - metal-plastik (metal-włókna), organicznym - organicznym tworzywem (włókna organiczne), borem - tworzywem borowym ( włókna borowe), węgiel - włókno węglowe (włókno węglowe) itp.

W przypadku CM metalowych i ceramicznych nie ma jasno ustalonych zasad nazewnictwa. Częściej niż inne, najpierw zapisywany jest materiał matrycy, a następnie materiał włóknisty. Na przykład oznaczenie „miedź-wolfram” (Cu-W) odnosi się do CM z osnową miedzianą i włóknami wolframowymi. Ale w literaturze czasami najpierw wskazuje się materiał włóknisty, a następnie osnowę.

Polimerowe materiały kompozytowe są najczęściej stosowane w porównaniu z innymi ze względu na łatwość produkcji, możliwości produkcyjne, niski koszt, niską gęstość. Ich główną wadą jest ograniczony zakres temperatur pracy. Nowoczesne spoiwa polimerowe (matryce) mogą zapewnić działanie wyrobów w temperaturach nieprzekraczających 300 - 400°C.

Ze względu na zachowanie podczas ogrzewania i chłodzenia spoiwa polimerowe dzieli się zwykle na termoplastyczne i termoutwardzalne. Właściwości termoplastycznych spoiw polimerowych umożliwiają uzyskiwanie z nich produktów metodą formowania wtryskowego, wytłaczania, natryskiwania oraz szerokie zastosowanie w ich produkcji zautomatyzowanych urządzeń. Makrocząsteczki polimerów termoplastycznych mają budowę liniową i są otrzymywane z monomerów posiadających dwie grupy funkcyjne, które są połączone ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Łańcuchy makrocząsteczkowe są połączone słabymi siłami van der Waalsa.

Oligomery termoutwardzalne pod wpływem ciepła, utwardzaczy, katalizatorów przechodzą w stan stały (utwardzany). Ten proces jest nieodwracalny. Oligomery łatwo rozpuszczają się w niektórych rozpuszczalnikach (alkohol, aceton itp.), ale po utwardzeniu nie są już rozpuszczalne. Żywice termoutwardzalne są wykonane z monomerów zawierających więcej niż dwie grupy funkcyjne. Podczas utwardzania monomery rosną w trzech kierunkach, tworząc makrocząsteczki o strukturze sieciowej, której wszystkie elementy strukturalne są połączone ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi.

Głównym składnikiem spoiwa polimerowego jest żywica. Temperatura mięknienia, rozpuszczalność, lepkość i końcowe właściwości spoiwa zależą od jego charakteru, reaktywności, masy cząsteczkowej i struktury cząsteczkowej. Oprócz żywicy, skład spoiwa może obejmować: katalizatory lub inicjatory, które są wprowadzane do żywic w małych ilościach w celu przyspieszenia ich utwardzania; plastyfikatory, które nadają polimerowi margines plastyczności i elastyczności; barwniki, które barwią materiał w pożądanym kolorze; stabilizatory, które zapobiegają rozpadowi polimerów pod wpływem promieniowania świetlnego i podwyższonych temperatur.

Jako spoiwo do konstrukcyjnego PCM, pracujące pod/obciążenia, w większości przypadków stosuje się żywice termoutwardzalne. Do produkcji strukturalnych PCM najszerzej stosowane są żywice epoksydowe, poliestrowe, fenolowe, krzemoorganiczne i poliimidowe.

Żywice epoksydowe stanowią 90% żywic używanych jako* spoiwa dla nowych PCM. Żywice epoksydowe można utwardzać, w zależności od typu utwardzacza i jego ilości, zarówno w temperaturze pokojowej, jak i podwyższonej. W pierwszym przypadku mówi się o żywicach utwardzanych na zimno, w drugim o żywicach utwardzanych na gorąco.

Żywice epoksydowe znane są ze swojej wszechstronności. Charakteryzują się niskim skurczem, dobrą przyczepnością do różnych wypełniaczy, wysokimi właściwościami mechanicznymi, niską absorpcją wilgoci, pozwalają na obróbkę w temperaturze pokojowej i różnią się w szerokim zakresie czasu trwania i temperatury utwardzania. Można do nich dodawać rozpuszczalniki, modyfikatory i plastyfikatory, aby zmienić lepkość nieutwardzonego polimeru, odporność chemiczną i plastyczność. Podczas ich obróbki cieplnej nie dochodzi do emisji lotnych produktów reakcji. Są nieco droższe niż żywice poliestrowe i fenolowe, ale równoważą to ich lepsze właściwości technologiczne i eksploatacyjne.

Zazwyczaj CM oparte na żywicach epoksydowych są stosowane w temperaturze do 150°C. W ostatnich latach opracowano nowe, bardziej żaroodporne żywice epoksydowe, które pozwalają na ich stosowanie w GFM pracującym w temperaturze 200°C i wyższej.

Bardzo ważną cechą żywic epoksydowych z technologicznego punktu widzenia jest ich zdolność do długotrwałego utrzymywania się w stanie półutwardzonym, co umożliwia wytwarzanie wstępnie impregnowanych i częściowo utwardzonych tkanin, taśm i kabli („prepregi” ) na ich podstawie, a następnie pozyskiwać produkty.

Żywice poliestrowe to produkty polikondensacji nienasyconych kwasów dikarboksylowych (głównie maleinowego i metakrylowego) z alkoholami wielowodorotlenowymi lub nienasyconymi (glikol dietylenowy, glikol trietylenowy itp.). W wyniku polimeryzacji powstaje stały nierozpuszczalny polimer o trójwymiarowej strukturze. Spoiwa poliestrowe zostały opracowane znacznie wcześniej niż spoiwa epoksydowe i na ich podstawie powstały pierwsze strukturalne CM.

Głównymi zaletami spoiw poliestrowych są ich niski koszt i łatwość obsługi. Są jednak mniej wytrzymałe, mają gorszą przyczepność do większości włókien, są bardziej kruche, bardziej kurczą się podczas utwardzania i mają krótszą żywotność niż żywice epoksydowe.

Żywice fenolowe otrzymuje się przez polikondensację fenoli (hydroksybenzenu, krezolu, rezorcynolu itp.) z aldehydami (furfural, formaldehyd itp.). Żywice te mają ciemny kolor i mają zwiększoną odporność na wysokie temperatury w porównaniu z wcześniej omawianymi spoiwami.

Podczas utwardzania żywice fenolowe przechodzą trzy etapy:

„A” - tworzenie rezolu - produkt wstępnej kondensacji, który nie ma wiązań poprzecznych i może rozpuszczać się w alkoholu, acetonie i innych rozpuszczalnikach;

"B" - tworzenie resitolu - produktu, w którym rozpoczęło się tworzenie wiązań poprzecznych. Resitol zachowuje się jak żywica termoplastyczna - mięknie po podgrzaniu i staje się twardy i kruchy w temperaturze pokojowej;

"C" - otrzymanie resztki - w pełni utwardzony produkt termoutwardzalny (nierozpuszczalny i nietopliwy).

Na etapie resitolu, kiedy większość substancji lotnych została już usunięta, prepregi są wytwarzane z żywic fenolowych. Żywice fenolowe same w sobie są bardzo kruche.

Ich wady to toksyczność i konieczność stosowania wysokich ciśnień podczas utwardzania. KM na bazie żywic fenolowych to materiały przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach, ta! jak są w stanie wytrzymać przez długi czas temperatury ds 315 ° C, a przez krótki czas - powyżej 3000 ° C.

Żywice silikonowe lub silikonowe to związki syntetyczne zawierające co6oi wraz z grupami organicznymi! krzem i tlen, które wchodzą w skład głównego łańcucha w postaci ogniw

KM - na ich bazie zachowują swoje właściwości w temperaturach powyżej 260°C, wyróżniają się odpornością na korozję, łukiem i iskrą oraz podwyższoną przewodnością cieplną. Jednak w temperaturze pokojowej właściwości KM n; na bazie żywic silikonowych jest niższa niż na bazie żywic epoksydowych, poliestrowych i fenolowych. Są też droższe. Na bazie żywic krzemoorganicznych otrzymywane są CM, które wykorzystywane są do budowy owiewek) silników samolotów, rakiet i innych produktów pracujących w wysokich temperaturach.

Żywice poliimidowe wyróżniają się wysokimi wskaźnikami stabilności termicznej i termicznej oraz odporności na promieniowanie. Oparte na nich CM są zdolne do długotrwałej pracy w temperaturach powyżej 300°С. W końcowym etapie tworzenia żywice poliimidowe tracą swoją plastyczność i rozpuszczalność] są przekształcane w policykliczne polimery sieciowe. Wiążą się z nimi perspektywy powstania wysokotemperaturowych CM. Istniejące wady: żywice poliimidowe - konieczność stosowania wysokich temperatur i ciśnień podczas ich utwardzania.

Technologia wytwarzania produktów z PCM obejmuje następujące główne etapy:

1. Wstępna obróbka powierzchni UV w celu poprawy jego zwilżalności roztworami lub stopionymi spoiwami.

Włókna węglowe są dostarczane konsumentowi pokryte środkiem poślizgowym, który jest wymagany jako środek pomocniczy w przetwórstwie. Usunięcie smaru z powierzchni włókien (odklejanie) jest operacją niezbędną vrx syayazlyutim. W przypadku tego węglowodoru przepuszcza się go przez benzynę, roztwory kwasu oleinowego (2% wag.), trietanoloaminę (1% wag.) lub inne rozpuszczalniki. Smar można również usunąć przez kalcynację węglowodoru w temperaturze 200 - 450°C. Dobry efekt daje mycie w wodzie z użyciem ultradźwięków. Po odklejeniu niektóre rodzaje włókien silnie adsorbują wilgoć, co osłabia przyczepność spoiwa do nich i zmniejsza właściwości użytkowe PCM jako całości. Nanoszenie na powierzchnię powłok hydrofobowych (wodoodpornych), które zwiększają siłę wiązania między włóknami a spoiwem i zmniejszają absorpcję wody PCM, nazywa się etapem zaklejania. Opatrunki utrwala się ogrzewając włókna do 80-150°C przez 20-60 minut. W przypadku, gdy włókna docierają na szpule, które nie nadają się do nawijania lub impregnacji, układa się je na jednokierunkowym pasie tzw. rowingu, przy jednoczesnym zapewnieniu równomiernego naprężenia. Ta operacja nazywa się wypaczaniem.

2. Przygotowanie spoiwa.

Oprócz głównego składnika (żywicy), w zależności od jej charakteru, do spoiwa dodawane są różne ilości utwardzaczy, katalizatorów, plastyfikatorów i pigmentów. Stosowane są następujące rozpuszczalniki: aceton, benzen, toluen, dichloroetan, czterochlorek węgla. Oczywiście, pracując z nimi, musisz przestrzegać odpowiednich wymagań bezpieczeństwa.

Rozcieńczalniki przyczyniają się do uzyskania wymaganej lepkości technologicznej spoiwa i pozostają w nim po utwardzeniu. Rozcieńczalniki pełnią jednocześnie rolę plastyfikatora, zwiększając plastyczność utwardzonych spoiw. Na przykład, żywice epoksydowe o niskiej lepkości z glikolu dietylenowego, glikolu trietylenowego są stosowane jako rozcieńczalnik do żywic epoksydowych o wysokiej lepkości. Mieszanina wszystkich składników tworzących spoiwo nazywana jest mieszanką.

Ważną cechą technologiczną spoiwa jest jego żywotność (żywotność) - zdolność do utrzymania lepkości technologicznej przez określony czas (od kilku minut do kilku dni) w określonych granicach. Z biegiem czasu rozpuszczalniki odparowują ze spoiwa, co zwiększa lepkość związku i pogarsza jego właściwości impregnacyjne. Jeśli rozpuszczalnik odparowuje powoli, związek ma wysoką żywotność, ale czas schnięcia produktów znacznie się wydłuża. Może się nawet zdarzyć, że czas całkowitego usunięcia rozpuszczalnika przekroczy czas utwardzania spoiwa. W takim przypadku w utwardzonym polimerze będzie wiele porów i pęcherzyków gazu. Zastosowanie lotnych rozpuszczalników znacznie zmniejsza żywotność spoiwa, co również jest niepożądane. Na przykład w przypadku żywic epoksydowych zalecany jest średniolotny rozpuszczalnik toluen lub jego roztwór w alkoholu etylowym.

Podczas transportu i przechowywania spoiwa czasami dostaje się do niego wilgoć. Dlatego przed użyciem żywicę podgrzewa się w specjalnych metalowych pojemnikach do 100 - 140 ° C, a po usunięciu wody rozcieńcza się rozpuszczalnikami lub rozcieńczalnikami.

3. Impregnacja.

Jest to operacja łączenia wypełniacza ze spoiwem poprzez nałożenie masy na powierzchnię CF i wypełnienie jej objętością między włóknami.

Obecnie wyroby z PCM wytwarzane są głównie dwoma metodami: „na mokro” i „na sucho”. W metodzie mokrej włókna impregnuje się płynnym spoiwem tuż przed nawinięciem, tj. Impregnacja jest technologicznie połączona z formowaniem produktu. Za pomocą suchej metody impregnacji; rozdzielony na niezależną operację, w wyniku której z węglowodoru i spoiwa. zdobądź prepregi. Impregnacja i suszenie odbywa się w wyspecjalizowanych zakładach oddzielnie od nawijania, co umożliwia poszerzenie gamy stosowanych spoiw polimerowych poprzez zastosowanie różnych; rozpuszczalniki. Spoiwa z rozpuszczalnikami mają niską lepkość technologiczną, co umożliwia osiągnięcie wysokiej jakości w jednorodności impregnacji. Prepregi mogą być w stanie częściowo utwardzonym. od kilku dni do kilku miesięcy, w zależności od temperatury otoczenia.

Nawijanie na sucho jest bardziej progresywnym sposobem niż nawijanie na mokro. Wady mokrego uzwojenia są następujące:

Wybór spoiw do nawijania na mokro ogranicza się do tych żywic!- które mogą być stosowane w postaci płynnej, na przykład epoksydowej lub poliestrowej.

Na ogół stosowanie rozpuszczalników jest niepożądane, ponieważ substancje lotne, usuwane podczas utwardzania rany, prowadzą do tworzenia porów, pęcherzyków oraz pogarszają trwałość i wytrzymałość.

Stosowanie płynnych spoiw pogarsza warunki sanitarne w miejscu pracy.

Wydajność nawijania na mokro jest ograniczona szybkością spoiwa.

Zastosowanie ogrzewania w celu zmniejszenia lepkości procesowej żywicy zmniejsza żywotność spoiwa, przyspiesza proces polimeryzacji< гризации и ухудшает пропиточные свойства смолы.

6. Przy nawijaniu na mokro trudno jest wyregulować stężenie składników w produkcie. Część żywicy znika przy metodzie mokrej.

Suche nawijanie prepregów pozbawione jest wszystkich wymienionych wad] Prędkość nawijania nie jest ograniczona prędkością impregnacji i całkowicie zależy* od możliwości urządzenia nawijającego. Nawijanie prepregami umożliwia zastosowanie szerokiej gamy żywic, zapewnienie równomiernego podziału pacnpi spoiwa w całej objętości produktu, zmniejszenie możliwości kleistości Ppeppegy, co umożliwia uzyskanie produktów o skomplikowanym kształcie, zwiększonym szczelność i niska porowatość. Podczas ich formowania pozostaje tylko zapewnienie wysokiej jakości połączenia warstw spoiwa ze sobą (autohezja) oraz z włóknami wzmacniającymi (adhezja).

Główne wady nawijania na sucho obejmują konieczność użycia specjalnych maszyn i innych urządzeń technologicznych.

Istnieją następujące metody impregnacji: przeciąganie zbrojenia (nitek) przez płynne spoiwo; wałek kąpielowy; natrysk z wymuszoną impregnacją.

W produkcji GFM ze wzmocnieniem w postaci wiązek, nici i tkanin najczęstszą metodą impregnacji jest przeciąganie ich przez płynne spoiwo (ryc. 1.26).

Ryż. 1.26. Schemat pionowej maszyny do impregnacji; 1 - bęben, 2 - armatura, 3 - wanna z płynnym spoiwem, 4 - wałki kąpielowe, 5 - wał suszący, 6 - grzałki, 7 - urządzenie odciągowe, 8 - urządzenie napinające, 9 - bęben odbiorczy

Pręt zbrojeniowy (2) jest odwijany z bębna (koszy) (1) i przechodząc przez system rolek (4) wchodzi do wanny (3) z płynnym spoiwem. Impregnowana armatura wchodzi do szybu suszącego (5), w którym znajdują się grzałki (6) i urządzenie wydechowe (7). Tutaj zwora kilkakrotnie zmienia kierunek, aby wydłużyć czas przebywania w strefie wysokiej temperatury. W efekcie z masy usuwane są substancje lotne, a przestrzeń między włóknami wypełnia się spoiwem. Wysuszony prepreg jest nawijany za pomocą wałka napędowego przez napinacz (8) n; odbiorczy bęben.

W przypadku GFM z bardzo sztywnym zbrojeniem (wysokomodułowy grafit, bor lub inne włókna), które nie pozwala na małe promienie gięcia, wygodnie jest zastosować metodę impregnacji za pomocą wałka kąpielowego (rys. 1.27).

Ryż. 1.27. Schemat impregnacji wałkiem kąpielowym: 1 - armatura, 2 - pojemnik z płynnym spoiwem, 3 - pojemnik, 4 - wałek kąpielowy

Podczas obrotu walec chwyta lepiszcze na swojej powierzchni i przenosi je na zbrojenie.

Metoda natryskowa z wymuszoną impregnacją pozwala drastycznie skrócić czas wypełniania przestrzeni międzywłóknistych spoiwem; Zastosuj impregnację hydrauliczną, próżniową i mechaniczną wymuszoną. .

W procesie wymuszonej impregnacji hydraulicznej ciecz ev; pompowanie jest pompowane przez zawór.

Impregnacja wymuszona próżniowo odbywa się poprzez odessanie cieczy do komory próżniowej, w której znajdują się kształtki.

Mechaniczna wymuszona impregnacja jest prostsza. Mogą to być osy; pracuj w specjalnej (klinowej) komorze lub za pomocą ściskającej twarzy. W komorze klinowej (ryc. 1.28) mieszanka jest odprowadzana przez ruchome ramię; tura do wnęki klina. Tutaj, ze względu na zmniejszenie przekroju kanału komory: ciśnienie płynu wzrasta prostopadle do ruchomej zwory. To właśnie pod wpływem tego nacisku wypełnia się przestrzeń między włóknami.

Podczas impregnacji za pomocą wałka dociskowego (rys. 1.286) ciśnienie związane z impregnacją i usuwaniem pęcherzyków powietrza z przestrzeni międzywłóknistej powstaje w postaci reakcji wałka na rozciągniętą taśmę.

Ryż. 1.28. Schematy mechanicznej wymuszonej impregnacji w komorze klinowej (a) i za pomocą wałka ściskającego (b): 1 - armatura, 2 - spoiwo, 3 - rolki

4. Odlewanie.

Jest to operacja nadawania produktowi określonego kształtu i rozmiaru. Formowanie można przeprowadzić na prasach, kontaktowych, próżniowych, autoklawowych i nawijających.

Przed formowaniem na prasach wstępnie impregnowany niedoprzęd lub tkanina jest cięty ręcznie lub na specjalnych maszynach na kawałki o żądanej długości. W zależności od danej struktury PCM elementy układane są w jednym lub kilku naprzemiennych kierunkach. Pakiet umieszczany jest pomiędzy płytami prasy hydraulicznej i zagęszczany pod ciśnieniem od kilku do kilkudziesięciu atmosfer, w zależności od rodzaju i struktury elementów. Jeżeli zbrojenie jest impregnowane spoiwem utwardzanym na gorąco, wówczas płyty dociskowe są podgrzewane. Ta metoda jest zwykle stosowana do wytwarzania materiałów arkuszowych, takich jak tekstolit.

Formowanie kontaktowe to zwijanie impregnowanej taśmy lub tkaniny za pomocą wałka. Zazwyczaj zagęszczanie przeprowadza się w temperaturze pokojowej przy użyciu żywic utwardzanych na zimno. Metoda ta stosowana jest w produkcji małoseryjnej wyrobów wielkogabarytowych i lekko obciążonych.

Formowanie próżniowe produktów z PCM odbywa się ze względu na różnicę ciśnień atmosferycznych i wewnętrznych (w objętości, w której znajduje się produkt). Formowanie próżniowe stosuje się do wytwarzania małych partii produktów, ponieważ metoda ta jest nieefektywna i stosunkowo droga.

W metodzie formowania w autoklawie produkt powstaje pod wpływem niewielkiego ciśnienia generowanego przez wodę lub gaz. Ta metoda może być wykorzystana do uzyskania dużych serii dużych części o skomplikowanym kształcie.

Jednym z najczęstszych sposobów pozyskiwania PCM i produktów z nich jest metoda nawijania. W tym przypadku zbrojenie impregnowane spoiwem jest nawijane na bęben (trzpień) z naprężeniem. Nawijanie pozwala zautomatyzować proces formowania i zaprogramować anizotropię właściwości produktu końcowego. Uzwojenie jest najszerzej stosowane do wytwarzania wyrobów o kształcie korpusów obrotowych (cylindry, kule, stożki, toroidy itp.).

5. odnalezienie.

Podczas utwardzania spoiwa powstają ostateczne struktury; PCM, kształtują się jego właściwości, a kształt produktu jest utrwalony. Głównymi parametrami technologicznymi utwardzania są temperatura i czas. Konieczne jest ścisłe przestrzeganie parametrów opracowanych dla każdej kombinacji spoiwa i zbrojenia.

Utwardzanie można prowadzić w temperaturze pokojowej (utwardzanie na zimno*), w podwyższonych temperaturach (utwardzanie na gorąco), w piecach elektrycznych lub indukcyjnych z automatyczną kontrolą temperatury, utwardzanie promieniowaniem.

Podczas utwardzania obserwuje się dwa charakterystyczne etapy, przez które kolejno przechodzi spoiwo termoutwardzalne: etap początkowy, podczas tworzenia sieci polimerowej i etap końcowy, podczas tworzenia sieci polimerowej. Te dwa etapy są oddzielone od siebie tak zwanym punktem żelowania. Punkt żelowania odpowiada momentowi, w którym spoiwo traci zdolność do przejścia w stan płynny, czyli do rozpuszczania się w rozpuszczalnikach.

W pewnym zakresie temperatur płynne spoiwo przechodzi w stan szklisty. Wszystkie właściwości spoiwa zmieniają się radykalnie: zmniejsza się objętość właściwa, wzrasta twardość, wzrasta odporność na odkształcenia. Temperatura, w której zachodzi to zjawisko, nazywana jest temperaturą zeszklenia. Temperatura zeszklenia nie jest punktem, ale średnią temperaturą przedziału. Zeszklenie nie jest przejściem fazowym, szkliste spoiwo ma strukturę amorficzną i z termodynamicznego punktu widzenia można je uznać za ciecz przechłodzoną.

Kolejnym charakterystycznym punktem materiałów polimerowych jest temperatura degradacji - temperatura, w której rozpoczyna się zauważalny rozkład polimeru, któremu towarzyszy zerwanie wiązań molekularnych. Zniszczenie, podobnie jak zeszklenie, następuje w zakresie temperatur. Zrównoważony rozwój! Spoiwo na zniszczenie charakteryzuje się stabilnością termiczną (stabilność termiczna, stabilność termiczna). Tę koncepcję należy odróżnić od odporności na ciepło, która odzwierciedla zdolność polimeru do mięknienia.

Do całkowitego wyczerpania grup reaktywnych reakcja utwardzania może przebiegać tylko wtedy, gdy temperatura utwardzania jest wyższa od temperatury zeszklenia. W przeciwnym razie nie można osiągnąć całkowitego utwardzenia. Grupy reaktywne nadal pozostają w polimerze, ale ich szybkość oddziaływania z innymi grupami jest bardzo niska ze względu na bardzo wysoką lepkość układu. Jeśli SHSM z nie do końca utwardzonym spoiwem będzie pracował w podwyższonych temperaturach, utwardzanie będzie kontynuowane. Prowadzi to do zmiany kształtu i wymiarów produktu, pojawienia się dodatkowych naprężeń wewnętrznych.

Często reakcji utwardzania towarzyszy wydzielanie się ciepła, materiał nagrzewa się samoczynnie, a spoiwo może całkowicie stwardnieć. Utwardzanie na zimno spoiw termoutwardzalnych opiera się na tej zasadzie. Jednak w przypadku produktów krytycznych w większości przypadków stosuje się utwardzanie na gorąco.

Wzmocnienie i spoiwo w kompozycji podlegają działaniu naprężeń wewnętrznych, które można podzielić na trzy typy: strukturalne, skurczowe i termiczne.

Naprężenia strukturalne powstają w wyniku naprężeń technologicznych zbrojenia podczas procesu nawijania. Przed usunięciem z trzpienia naprężenia strukturalne działają tylko we włóknach, nie ma ich w spoiwie.

Naprężenia skurczowe powstają we włóknach i spoiwie na skutek zmniejszenia objętości (skurczu) spoiwa podczas jego utwardzania. Stopień skurczu może wahać się od 2 do 30% obj. w zależności od natury związku.

Naprężenia termiczne wynikają z różnicy współczynników rozszerzalności liniowej zbrojenia i spoiwa oraz z nierównomiernego rozkładu temperatur w objętości wyrobu. Z reguły współczynnik rozszerzalności liniowej polimerów jest znacznie wyższy niż włókien.

W rzeczywistym PCM wszystkie brane pod uwagę naprężenia są sumowane i na materiał działają powstałe naprężenia, które z czasem ulegają rozluźnieniu. Aby promować pełniejszą relaksację naprężeń i uniknąć wypaczania i pękania, zaleca się powolne podgrzewanie i chłodzenie produktów PCM.

CFRP z włóknami niskomodułowymi nie są stosowane jako włókna strukturalne. Wykonane są z nich materiały przewodzące, termoizolacyjne i przeciwcierne.

Strukturalne CFRP zawierają jako wypełniacze włókna węglowe o wysokim module (E = 342-540 GPa) i wysokiej wytrzymałości (steg-2,5 GPa). Węglowe tworzywa konstrukcyjne charakteryzują się niską gęstością i współczynnikiem rozszerzalności liniowej oraz wysokim modułem sprężystości, wytrzymałości, odporności cieplnej, przewodności cieplnej i elektrycznej.

Właściwości tworzyw węglowych są determinowane przez materiał spoiwa, właściwości, koncentrację i orientację włókien. CFRP na bazie żywic epoksydowych mają wysokie właściwości wytrzymałościowe w temperaturach poniżej 200 ° C (tabela 1.6). Te PCM są najczęściej wykonywane z prepregów dostępnych w taśmach o różnych szerokościach. Wytrzymałość na rozciąganie i zginanie jednokierunkowego włókna węglowego może wynosić 1000 - 1600 MPa lub więcej, a moduł sprężystości (1 - 2,5) -10 MPa lub więcej. Pod względem wytrzymałości i sztywności tworzywa węglowe pozostawiają daleko w tyle tworzywa szklane, stal, aluminium i stopy tytanu.

Tabela 1.(

Właściwości wysokomodułowych i wysokowytrzymałych epoksydowych CFRP

Wskaźniki	Żywica epoksydowa CFRP!
	wysoce modułowy	wysoka wytrzymałość
Gęstość, kg / m 3
Wytrzymałość, MPa, ściskanie, rozciąganie i zginanie, ścinanie międzywarstwowe
Moduł sprężystości przy rozciąganiu i zginaniu, GPa
Wytrzymałość zmęczeniowa na zginanie na podstawie 10 7 cykli, GPa

W tworzywach węglowych przeznaczonych do długotrwałej pracy w temperaturach do 250°C stosuje się tworzywa fenolowe do 300°C - krzemoorganiczne i do 330°C - spoiwa poliimidowe. Opracowywane są spoiwa o temperaturze roboczej do 420°C. Jeszcze wyraźniejszą wadą tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym niż tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem szklanym jest ich niska wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe. Wynika to ze słabej przyczepności polimerów do włókien węglowych. Aby: zwiększyć przyczepność, stosuje się kilka metod: wytrawianie powierzchni włókien środkami utleniającymi (na przykład kwasem azotowym), wypalanie smaru; zaklejanie - wstępne powlekanie włókien cienkim nożem zwilżającego je monomeru; wąsy - rosnące "wąsy" (pale) w włóknach węglowych. CFRP, w którym oprócz zorientowanych włókien ciągłych stosuje się wąsy jako wypełniacz, ja to nazywam! viscerized lub vorserized.

Anizotropia właściwości tworzyw węglowych jest jeszcze wyraźniejsza niż w przypadku włókna szklanego. Wiąże się to z tym. że stosunek modułów sprężystości wypełniacza i spoiwa dla tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym (100 i więcej) jest znacznie wyższy niż dla tworzyw z włóknem szklanym (20-30). Ponadto CFRP charakteryzują się obecnością różnicy między elastycznymi właściwościami samych włókien w kierunku wzdłuż osi i prostopadle do niej, co prowadzi do dodatkowej anizotropii. Zazwyczaj projekty wymagają mniejszej anizotropii mechanicznej. W takim przypadku stosuje się materiały zbrojone krzyżowo. Zmieniając zawartość objętościową włókien i teksturę PCM, można zmieniać właściwości kompozycji w bardzo szerokim zakresie.

CFRP wyróżnia się wysoką odpornością na obciążenia zmęczeniowe. Pod względem wytrzymałości na jednostkę masy tworzywa węglowe znacznie przewyższają tworzywa sztuczne i metale wzmocnione włóknem szklanym. Jedną z przyczyn jest mniejsza (niż np. w przypadku włókna szklanego) deformacja przy tym samym poziomie naprężeń, co zmniejsza pękanie matrycy polimerowej. Ponadto wysoka przewodność cieplna włókien węglowych przyczynia się do rozpraszania energii drgań, co zmniejsza samonagrzewanie się materiału pod wpływem sił tarcia wewnętrznego.

Cenną właściwością włókna węglowego jest jego wysoka zdolność tłumienia i odporność na wibracje. Według tych wskaźników tworzywa węglowe są lepsze od metali i niektórych innych materiałów konstrukcyjnych. Zdolność tłumienia można regulować, zmieniając kąt między kierunkami zbrojenia a przyłożeniem obciążenia.

CFRP stosuje się do wytwarzania konstrukcji pracujących stabilizująco pod wpływem zewnętrznego momentu zginającego, ciśnienia lub ściskania osiowego: łopatek wirników śmigłowców, obudów sprężarek i wentylatorów, łopatek wentylatorów, tarcz stojana i wirnika sprężarki niskociśnieniowej silników lotniczych. Zastosowanie w tych jednostkach włókna węglowego zamiast metali umożliwia zmniejszenie masy silnika o 15-20%. W technologii kosmicznej tworzywa sztuczne węglowe są wykorzystywane do produkcji paneli słonecznych, butli wysokociśnieniowych i powłok termoizolacyjnych.

Współczynnik rozszerzalności liniowej wysokomodułowych jednokierunkowych tworzyw węglowych w kierunku podłużnym jest bliski zeru, a w zakresie 120 - 200°C jest nawet ujemny (-0,5-10"6 1/°C). wymiary produktów wykonanych z tworzyw węglowych zmieniają się bardzo nieznacznie podczas ogrzewania i chłodzenia.

CFRP mają dość wysoką przewodność elektryczną, co pozwala na ich stosowanie jako materiałów antystatycznych i ogrzewających elektrycznie. Wraz ze wzrostem zawartości węglowodorów w PCM do pewnego ułamka objętościowego (40-70%), w zależności od rodzaju polimerów i węglowodorów, tekstylnej postaci węglowodorów, obserwuje się wzrost wytrzymałości i modułu sprężystości. Następnie wskaźniki te zaczynają się pogarszać ze względu na niewystarczającą ilość polimeru potrzebnego do uzyskania monolitycznego kompozytu i zniszczenia kruchych węglowodorów na etapie formowania przy wysokim stopniu zagęszczenia. Maksymalna zawartość HC w PCM jest również ograniczona przez słabą zwilżalność spoiwa HC.

W niektórych przypadkach zastosowanie samych włókien węglowych jako wypełniacza nie zapewnia niezbędnej lepkości, odporności na erozję, ściskania, rozciągania i ścinania. Następnie spoiwa są wzmacniane wspólnie włóknami węglowo-szklanymi lub węglowo-borowymi. Połączone wzmocnienie pozwala na poszerzenie asortymentu! wartości wytrzymałości, sztywności i gęstości PCM.

Odporność chemiczna CFRP umożliwia zastosowanie ich w produkcji pomp i uszczelnień kwasoodpornych. Włókna węglowe mają niski współczynnik tarcia, dzięki czemu można je stosować jako wypełniacz do różnych spoiw, z których wykonane są łożyska uszczelek, tuleje i koła zębate.

Rozwój technologii wymaga materiałów wytrzymałych mechanicznie i żaroodpornych. Wzbudziło to szczególne zainteresowanie materiałami kompozytowymi węgiel-węgiel (CCCM) zawierającymi węgiel zarówno w postaci wypełniacza wzmacniającego, jak i w postaci materiału osnowy.

W CCCM odporność na wysoką temperaturę łączy się z niską gęstością, wysoką wytrzymałością i modułem sprężystości, odpornością na ciepło; cios. Materiały te są trwałe przez długi czas w temperaturach do 500°C (w środowisku utleniającym oraz do 3000°C w atmosferze obojętnej i próżni).

Wypełniacz i osnowa CCCM, w zależności od składu i warunków karbonizacji, mogą mieć różne modyfikacje. W przyjętej klasyfikacji najpierw wskazuje się strukturę wypełniacza węglowego, a następnie osnowę, np. materiał węgiel-węgiel, grafit-węgiel, grafit-grafit.

W CCCM wypełniacz węglowy występuje w postaci dyskretnych włókien, ciągłych nitek lub kabli, filców, taśm, tkanin o splocie płaskim i objętościowym, strukturach objętościowych. Włókna są ułożone losowo w kierunkach jedno-, dwu- i trójkierunkowych. Stosowane są węglowodory niskomodułowe, wysokomodułowe i wysokowytrzymałe, otrzymywane z włókien wiskozowych, poliakrylonitrylowych i paku węglowego.

Jako matrycę można zastosować węgiel pirolityczny, a także pak ze smoły węglowej i polimery koksownicze, które dają ponad 50% wag. koksu w procesie termicznej destrukcji. Najczęściej stosuje się żywice fenolowe (uzysk koksu 54–60% mas.). Znane jest stosowanie poliimido (63-74% wag.), żywic krzemoorganicznych (84-87% wag.), produktów kondensacji fenolu i naftenów z formaldehydem (70% wag.), oligobenzimidów (74% wag.) , żywice furfurylowe i inne, polimery. Im więcej się poruszasz i, siła koksu, a także siła jego przyczepności do wypełniacza, tci, tym wyższa jakość CCCM.

, .„.„ W celu uzyskania kompozytu o pożądanych właściwościach konieczne jest określenie najkorzystniejszej kombinacji wypełniacza i osnowy oraz najkorzystniejszego reżimu technologicznego uzyskania osnowy yraepoj.

W zależności od stanu fazowego substancji zawierających węgiel rozróżnia się następujące metody zagęszczania wypełniaczy z włókna węglowego (CFF) węglem:

wykorzystanie węglowodorów w fazie gazowej lub gazowej (gaz ziemny, propan-butan, benzen itp.);

wykorzystanie ciekłych węglowodorów charakteryzujących się wysoką zawartością węgla i wysokim procentem uzysku koksu (pak, smoła);

połączone, co obejmuje impregnację porowatych struktur ciekłymi węglowodorami i karbonizację, a następnie zagęszczanie węglem pirolitycznym otrzymanym przez pirolizę węglowodorów w fazie gazowej.

Proces uszczelniania ramy można wykonać na kilka sposobów.

Metoda izotermiczna zapewnia przejście gazu zawierającego węgiel nad powierzchnią ogrzewanej ramy pod stosunkowo umiarkowanym ciśnieniem. Wadą jest czas trwania procesu, tworzenie się skorupy powierzchniowej, która zapobiega wnikaniu gazu do ramy. Ta metoda jest najskuteczniejsza w przypadku produktów o małej grubości.

W innej metodzie na całej grubości ramy ustala się różnicę ciśnień, a gaz zawierający węgiel jest przez nią na siłę filtrowany. Filtracja wymuszona przyspiesza proces zagęszczania i znacznie zwiększa grubość impregnacji. Jednak ze względu na zmniejszenie stężenia gazu zawierającego węgiel na grubości warstwy struktura materiału okazuje się nierównomiernie gęsta.

Najbardziej rozpowszechniona jest metoda termogradientowa, w której na całej grubości porowatej ramy ustala się pewna różnica temperatur, a gaz zawierający węgiel przechodzi od strony powierzchni o niskiej temperaturze. W tym przypadku wyklucza się tworzenie skorupy powierzchniowej, co przyczynia się do produkcji wysokiej jakości materiału. Metoda ta jest najbardziej efektywna przy zagęszczaniu podbudów o średniej i dużej grubości.

Podczas rozkładu termicznego węglowodorów w fazie gazowej jednocześnie zachodzą różne procesy chemiczne, w wyniku których powstają zarówno lżejsze, jak i cięższe węglowodory, wodór oraz różne produkty z węgla stałego. Struktura i właściwości produktów węglowych są zróżnicowane i zależą od warunków procesu. Na przykład produkty rozkładu termicznego, w zależności od zewnętrznego kształtu geometrycznego, zawierają:

warstwowy lub błyszczący węgiel, zwany pirowęglem (PU);

Węgiel włóknisty lub włóknisty; węgiel w stanie rozproszonym lub sadza.

Tworzenie PU odbywa się w szerokim zakresie temperatur od 700 do 3000°C. Skład gazów wyjściowych określa wydajność PU i szybkość jego osadzania. Najwyższą wydajność PU uzyskuje się z metanu, który ma najmniejszą masę cząsteczkową. Węglowodory o dużej masie cząsteczkowej mają zwiększoną wydajność sadzy. W tym przypadku istotne jest ciśnienie gazu w reaktorze.

Istnieją dwa główne rodzaje PU, których struktura i właściwości determinowane są temperaturą powstawania: niskotemperaturowy (1000 - 1100°C) i wysokotemperaturowy (1400 - 2200°C), zwany pirografitem.

Proces osadzania PU w ​​fazie gazowej odbywa się w instalacji (rys. 1.29), składającej się z reaktora chłodzonego wodą, stanowiska sterowania systemami zasilania gazem ziemnym, wytwarzania próżni, urządzeń chłodzących i energetycznych. Element obrabiany - rama karbonowa (4) osadzona jest na grzałkach grafitowych (3) umieszczonych pomiędzy przewodami prądowymi (2). Po ewakuacji z komory do reaktora podawany jest gaz ziemny. Grzanie odbywa się za pomocą prądu stałego przepływającego przez grzałkę (3), regulacja temperatury - za pomocą ruchomych termopar chromelowo-aluminiowych (5) umieszczonych w osłonach kwarcowych Na początku procesu montowana jest termopara ze złączem przy grzałce powierzchnia - środek obrabianego przedmiotu do obrzeża.

W przypadku osadzania PU w ​​fazie gazowej jednym z kryteriów jakości otrzymanego materiału jest jego gęstość. Jest to funkcja wielu parametrów i zależy od gęstości szkieletu, prędkości frontu pirolizy, stężenia odczynnika i ciśnienia gazu w reaktorze.

Tworzenie węgla pirolitycznego z fazy gazowej na UVN odbywa się głównie w temperaturach 1100–1500°C i obniżonym ciśnieniu w atmosferze zawierającej 91–93% metanu i 7–9% argonu. Grafityzacja odbywa się w atmosferze obojętnej.

Proces technologiczny otrzymywania CCCM metodą fazy ciekłej!* obejmuje wykonanie podbudowy porowatej, impregnację ciekłymi węglowodorami, karbonizację pod ciśnieniem oraz grafityzację. Wybierając materiał impregnacyjny do impregnacji, brane są pod uwagę następujące cechy:

lepkość;

koks spalinowy;

mikrostruktura koksu;

Struktura krystaliczna koksu.

Wszystkie te cechy zależą od ciśnienia i temperatury w procesie* kompozytów węglowo-węglowych. Jako żywice najczęściej stosuje się żywice fenolowe, poliamidowe, poliwinylosiloksanowe, polifenylosiloksanowe, furfurylowe i epoksydowo-nowolakowe. Postępowym i obiecującym kierunkiem jest wykorzystanie paków pochodzenia naftowego i węglowego jako materiału impregnacyjnego. Spoiwa te mają następujące zalety: niski koszt, wysoką zawartość węgla przy zachowaniu termoplastyczności oraz zdolność do grafityzacji przygotowanych paków mezofazowych. Wady to: toksyczność, niestabilność jakości.

W

Ryż. 1.29. Schemat instalacji termogradientowej metody osadzania w fazie gazowej pirowęgla: 1 - reaktor chłodzony wodą, 2 - przewody prądowe, 3 - grzałka, 4 - rama węglowa, 5 - termopara w rurce kwarcowej, 6 - mechanizm ruchu termopary , 7 - płaszcz wodny; strumienie: I – gaz, II – gazowe produkty pirolizy, W – woda.

Skład chemiczny i właściwości paków różnią się w szerokim zakresie w zależności od charakteru surowca i warunków technologicznych. W pewnych warunkach faza ciekłokrystaliczna (mezofaza) może zarodkować i rosnąć w smołach, co zapewnia powstawanie anizotropowego koksu grafityzującego. Pod tym względem paky są obecnie rozróżniane jako izotropowe (zwykłe, niemezofazowe) i anizotropowe (mezofazowe).

Podczas karbonizacji niskotemperaturowej (550 - 650°C) mezofaza przechodzi w stały półkoks. Procesowi temu towarzyszy pęcznienie pod wpływem wydzielających się gazów, co prowadzi do powstania drobno porowatej struktury koksu. Pęcznienie powoduje głęboką deformację koksu i wzrost liczby wadliwych struktur, co prowadzi do pojawienia się pęknięć skurczowych podczas późniejszej obróbki cieplnej.

Kształtowanie się struktury i właściwości osnowy węglowo-koksowej zależy od warunków obróbki cieplnej, które można warunkowo podzielić na kilka etapów:

Karbonizacja (900 - 1423°C) - rozkład związków organicznych

i tworzenie uporządkowanej molekularnie struktury węgla-koksu

prekrystalizacja (1400 - 2000°C) - uporządkowanie atomów yi

lerod w doskonalszą strukturę z utworzeniem tzw<

podstawowe formy węgla;

grafityzacja jednorodna (2000 - 3000°C) - przemiana przejściowa; wszelkie formy węgla w krystaliczny grafit.

Na ryc. 1.30 przedstawia schemat instalacji do impregnacji tkanin węglowych.

Ryż. 1.30. Schemat instalacji do impregnacji tkaniny węglowej: 1 - cewka eksploatacyjna, 2 - tkanina węglowa, 3 - rolki dociskowe, 4 - piec elektryczny, 5 - urządzenie regulujące prędkość podawania tkaniny, 6 - cewka odbiorcza; 7 - napęd elektryczny, 8 - wanna

Tkanina jest odwijana ze szpuli zasilającej (1) i przechodzi przez Twój (8), w którym trzy szybkoobrotowe mieszadła intensywnie mieszają proszek smoły z wodą, tworząc stabilną zawiesinę smoły wodnej. IIj dalsze przejście tkaniny przez rolki dociskowe (3) i elektron 1 (4), woda odparowuje i smoła „topi się, impregnuje tkaninę. Powstały prepreg za pomocą napędu elektrycznego (7) i tkaniny urządzenie regulujące prędkość posuwu (5) jest nawinięte na szpulę nawijającą (6).Na wyjściu z pieca taśma jest dociskana przez wałek rozgrzany do temperatury 100 - 120°C i wyciskana! skok w objętości tkaniny.

Wstępną impregnację porowatej ramy węglowej pakem można przeprowadzić pod ciśnieniem od 0,5 do 3 MPa, karbonizację - pod ciśnieniem 100 - 200 MPa i temperaturze 900 - 1100°C.

Cechą CCCM jest stosunkowo duża porowatość matrycy węglowej, a także jej przecięcie z pęknięciami w kierunku prostopadłym do wypełniacza. Pęknięcia w osnowie powstają, gdy produkt jest schładzany z temperatury produkcji (300°C) do temperatury pokojowej z powodu wysokich naprężeń termicznych. Aby wyeliminować porowatość, operację impregnacji-karbonizacji, a następnie grafityzacji i impregnacji pirowęglowej powtarza się kilkakrotnie (rys. 1.31).

Po wielokrotnych powtórzeniach cyklu impregnacyjno-karbonizacyjnego gęstość materiału może osiągnąć 2000 - 2100 kg/m 3 . Jeżeli temperatura obróbki nie przekracza 800 - 1500°C, następuje zwęglenie spoiwa, a przy temperaturach 2300 - 3000°C otrzymuje się grafityzowany materiał. Karbonizacja włókna węglowego odbywa się w strumieniu gazu obojętnego lub w atmosferze redukującej pod wysokim ciśnieniem z nagrzewaniem izotermicznym, dynamicznym lub „stopniowym”, grafityzacja - w atmosferze obojętnej.

włókna węglowe

Uzwojenie cewki 3 \ ^Produkcja

produkty dziewiarskie luzem \ tkaniny

Struktury \

Oprogramowanie układowe

Impregnacja smoła

* Karbonatyzacja

Ponowna impregnacja Ponowna karbonatyzacja

Grafityzacja Ryc. 1.31. Schemat otrzymywania CCCM metodą impregnacji

Połączoną lub złożoną metodę uzyskiwania CCCM można wdrożyć według następujących schematów:

Impregnacja pakowa porowatej ramy, karbonizacja pod ciśnieniem, dodatkowe zagęszczanie PU z fazy gazowej;

Zagęszczanie ramy PU od fazy gazowej do impregnacji pakem o zadanej gęstości, a następnie karbonizacja, obróbka mechaniczna, zagęszczanie PU.

Ta metoda zapewnia maksymalną gęstość, wysokie właściwości fizyczne i mechaniczne i nie wymaga dodatkowego wyposażenia.

W przypadkach, w których karbonizacja CCCM odbywa się bez ciśnienia

Proces może być prowadzony w tradycyjnym prażenie (komora gazowa)

kubki, których projekt był rozważany wcześniej. Technologia produkcji]

CCCM metodą fazy ciekłej w warunkach karbonizacji pod ciśnieniem Móc<

być realizowane za pomocą pras.

Grafityzacja (grafityzacja) odbywa się w piecach Achesona, których konstrukcja została omówiona w poprzednich rozdziałach.

Właściwości CCCM różnią się w szerokim zakresie. Siła zwęglonego CCCM jest proporcjonalna do gęstości. Grafityzacja zwęglonego: nogo CCCM zwiększa jego wytrzymałość. Siła CCCM w oparciu o wysokie: mocne CF jest wyższa niż wytrzymałość CM opartych na wysokomodułowych CF, więcej! nyh w różnych temperaturach przetwarzania. Unikalne właściwości CCCM obejmują odporność na wysoką temperaturę w mediach obojętnych i redukujących. Pod względem zdolności do zachowania kształtu oraz właściwości fizycznych i mechanicznych w tych mediach CCCM przewyższa znane materiały konstrukcyjne. Niektóre CCCM, zwłaszcza te otrzymywane przez karbonizację włókna węglowego na bazie polimerów organicznych, charakteryzują się wzrostem wytrzymałości wraz ze wzrostem temperatury pracy z 20 do 2700°C. W temperaturach powyżej 3000°C CCCM działają przez krótki czas, ponieważ rozpoczyna się intensywna sublimacja grafitu. Im doskonalsza struktura krystaliczna grafitu, tym wyższa temperatura i mniejsza szybkość procesów termodestrukcyjnych. Właściwości] CCCM zmienia się w powietrzu przy długotrwałej ekspozycji na stosunkowo niskie temperatury. Tak więc przy 400 - 650 ° C w powietrzu występuje! utlenianie CCCM, aw rezultacie gwałtowny spadek wytrzymałości. te wzrosty porowatości. Utlenianie matrycy wyprzedza utlenianie HC, e< ли последние имеют более совершенную структуру углерода. Скорость оки>CCCM maleje wraz ze wzrostem temperatury ich wytwarzania i spadkiem liczby defektów. Skutecznie zapobiega utlenianiu CCCM pr< питка их кремнийорганическими соединениями из-за образования карбида оксида кремния.

Na ryc. 1.32 przedstawiono obszary zastosowań CCCM.

odporny na racje

Ryż. 3.32. Obszary zastosowania CCCM w warunkach wysokich obciążeń termicznych

Tym samym CCCM znajdują zastosowanie w różnych gałęziach techniki w przypadkach, gdy tradycyjne materiały nie nadają się do użytku, tj. w warunkach wysokich obciążeń termicznych oraz w zespołach tarcia.

Kompleks robotów do obróbki mechanicznej wyrobów z materiałów kompozytowych przeznaczony jest do mechanizacji i automatyzacji jednej z najbardziej pracochłonnych operacji w cyklu technologicznym:

• Przycinanie i usuwanie błysku technologicznego
• Frezowanie rowków, wgłębień i pozycjonerów pod elementy wpuszczane
• Wiercenie i frezowanie otworów o skomplikowanym kształcie
• Frezowanie otworów o dużych rozmiarach (otwory okienne, włazy itp.)

Kompleks robotów umożliwia zapewnienie następujących korzyści:

• Zwiększona prędkość przetwarzania w porównaniu do przetwarzania ręcznego
• Wysoka powtarzalność i jakość obróbki
• Frezowanie z wysoką jakością krawędzi „w jednym przejściu”
• Poprawa warunków pracy
• Tworzenie dodatkowych miejsc pracy wymagających dużej wiedzy

Na metoda kontaktu Po uformowaniu materiał szklany jest ręcznie impregnowany żywicą za pomocą pędzla lub wałka. Impregnację można przeprowadzić jednocześnie z rolowaniem w formie lub osobno. Walcowanie odbywa się w celu usunięcia powietrza z laminatu i równomiernego rozprowadzenia spoiwa.