Свойства и применение углепластиковВведение

Углепластик: способ получения, свойства, применение

Углепластики – это композиционные материалы на основе углеродных волокон и полимерных связующих, где для армирования используются различные виды углеродных волокон и волокнистых материалов.

Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов. Получают углепластики обычно из заранее подготовленных препрегов, используя методы прессования, пултрузии, выкладки с последующим прессованием. Углеродным волокнам присуща высокая хрупкость, что требует осторожности при их переработке в углепластики: необходимо проводить прессование при высоких давлениях, а также избегать резких перегибов армирующих наполнителей.

Для удобства применения на основе углеродных и графитированных волокон и полимерных смол выпускают премиксы, препреги, пресс-волокниты, т.е. материалы, содержащие заданное количество армирующего наполнителя и полимерной матрицы, подготовленные для изготовления деталей и изделий.

В качестве связующих применяют чаще всего термореактивные смолы – эпоксидные, фенольные, полиимидные, которые обеспечивают высокую адгезию и высокую степень реализации механических свойств углеродных волокон, а также термостойкие термопласты: ароматические полиамиды, полисульфоны, поликарбонаты. Применение низкоплавких термопластов типа полиолефинов, алифатических полиамидов мало целесообразно, так как они не позволяют реализовать многие свойства углеродных наполнителей.

Высокопрочные и высокомодульные углепластики изготовляют из соответствующих видов углеродных нитей, жгутов и лент с высокими механическими характеристиками. Для наиболее полной реализации механических свойств углеродных наполнителей используется преимущественно однонаправленная и перекрестная укладка [9].

Состав углепластиков определяется требованиями к изготовляемым из них изделиям. К углепластикам на основе карбонизованных или графитированных волокон относятся: пресс-материалы на основе углеродных (обычно карбонизованных) нетканых материалов и резаных волокон; углетекстолиты на основе углеродных (карбонизованных) и графитированных тканей; высокопрочные и высокомодульные углепластики на основе углеродных (графитированных) нитей, лент, жгутов в виде профилей, намотанных изделий, листов.

Графитированные волокна и волокнистые материалы имеют более высокие механические и термические свойства, однако они довольно дорогие.

Механические свойства углепластиков в направлении армирования определяются в значительной мере свойствами армирующих волокон и их расположением, в меньшей мере они зависят от связующего. Температурные характеристики углепластиков определяются в основном свойствами связующих.

Углерод-углеродные материалы могут эксплуатироваться при высоких температурах, а в инертной среде – до 2500°С [9].

Углеродные пресс-материалы и текстолиты служат для изготовления различных деталей, в качестве антифрикционных, хемостойких и др. Из них изготовляют, в частности, вкладыши подшипников. На основе пресс-волокнитов и листовых углеродных препрегов с фенольными и другими хемостойкими матрицами изготовляют детали насосов, арматуру, теплообменники, композиционные хемостойкие покрытия на металлических изделиях (чаще всего емкостях и другой химической аппаратуре). Углепластики используются также взамен ранее применявшихся материалов на основе асбеста (фаолит).

Углепластики на основе фенольных и полиимидных связующих, а также углерод-углеродные материалы используются в качестве высокотермостойких конструкционных изделий и покрытий. Выбор указанных связующих обусловлен тем, что при карбонизации они превращаются в кокс с высоким выходом по углероду, образуя при этом достаточно прочную углеродную матрицу.

Высокопрочные и высокомодульные углепластики, а также углетекстолиты применяются для изготовления наиболее ответственных деталей и изделий в летательных аппаратах, в судах, других транспортных средствах, медицинской технике, в спортивных изделиях, протезах.

Термопласты, содержащие углеродные волокна в количестве до 2-3%, применяются как антистатические материалы. Эффективность применения углеродных волокон как наполнителя существенно выше, чем традиционных добавок технического углерода, так как волокна образуют электропроводную «сетку» в материале при существенно меньшем их содержании [9].

Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.

Можно выделить следующие области применения углеродного волокна и углепластика:

– ракетостроение, авиастроение (самолетостроение, вертолетостроение, малая авиация);

– судостроение (военные корабли, спортивное судостроение);

– автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг);

– средства спортинвентаря (велосипеды, теннисные ракетки, удочки);

– специальные изделия (лопасти ветряных электрогенераторов и т.п.).

Углепластики (состав, свойства, область применения).

Это пластики на основе высоких прочных углеродистых волокон – являются наиболее перспективными композиционными материалами.

Обладают высокой прочностью и высокой жесткостью, высокой теплостойкостью до 570 К, низким температурным коэф.линейного расширения, высокой эррозионной стойкостью и стойкостью к различным хим.средам.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

Армирующие элементы – волокна, жгуты и ткани различного плетения, нетканные материалы.

В качестве матрица применяют эпоксидные, полиэмидные и др.смолы.

Применяется для изготовления лёгких, но прочных деталей, например: велосипеды, кокпиты и обтекатели в Формуле 1, спиннинги, мачты для виндсерфинга, бамперы, пороги, двери, крышки капотов на спортивных автомобилях, несущие винты вертолётов.

Органопластики (состав, свойства, область применения).

Изготавливают на основе высокопрочных арамидных волокон.

Обладают высокой удельной прочностью и высокими упругими характеристиками, а также ударной вязкостью, электическим сопротивлением, хим.стойкостью и высокими теплоизоляционными свойствами.

Армирующие элементы представляют собой непрерывные волокна в виде нитей и жгутов, а также тканей различного плетения.

Широко применяют: в авиа- и космич. технике, авто- и судостроении, машиностроении для изготовления элементов конструкций, пуле-защитной брони, радиопрозрачного материала; в электро-, радио- и электронной технике-для обмотки роторов электродвигателей, производства электронных плат с регулируемой жесткостью и высокой стабильностью размеров; в хим. Машиностроении – для производства трубопроводов, емкостей; для производства спортивного инвентаря и в др. отраслях промышленности.

Углерод – углеродные композиционные материалы (состав, свойства, область применения).

Это композиционные углеграфитовые материалы на основе углеродной матрицы и углеродных волокон.

В качестве матрицы используют пироуглерод, коксовые остатки термореактивных смол, кам.-уг. или нефтяного пека, в качестве волокон-наполнителей – высокопрочные углеродные волокна – нити (непрерывные и рубленые), жгуты, ткани, пространств. конструкции из

Обладают целым рядом уникальных свойств:

– чрезвычайно высокой теплостойкостью,

в интертной среде они сохраняют свои физ/мех.свойства, вплоть до 2500 С.

– хорошая стойкость к термоударам

Низкое значение термературного коэф.расширения и теплопроводноси.

-высокая стойкость к хим.реагентам, что делает их хорошим материалом для конструкции хим. и атомного машиностроения.

Применяются в качестве тормозных дисков в авиационном производстве, соплах ракетных двигателей, защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторах турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и во многих других случаях.

Стеклопластики (состав, свойства, область применения).

Стеклопластик – это композиционный материал, армированный стеклянными волокнами.

Наиболее широко применяется в настоящее время.

Обладает относительно высокой прочностью, устойчивостью к тепловм ударам, высокой радиопрозрачностью, коррозионной и эррозионной стойкостью, легко поддаются мех.обработки.

Армирующими элементами являются непрерывные волокна в виде нитей, жгутов и тканей различного переплетения.

В качестве матрицы используются как термореактивные смолы, так и различные термопластичные полимеры.

Наиболее распространены в настоящее время стеклотекстолиты (вид стеклопластиков).

Используемые на основе ткани композиты эффективно используются в авио-, судостроении и космической технике. Также из них изготавливают трубы, выдерживающие большое гидравлическое давление и не подвергающиеся коррозии, корпуса ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), лодки, корпуса маломерных судов и многое другое.

Свойства стекла.

Под обычным стеклом подразумевают обширную группу аморфных материалов неорганического происхождения, получаемых из переохлажденных расплавов смесей разных окислов (кремния, бора, фосфора, кальция, натрия и др.). В зависимости от состава стекла подразделяют на группы: силикатных, боратных, фосфатных, боросиликатных и др.

Кроме обычных, существуют стекла бескислородные (халыеогенидные. элементарные). а также стекла орг анические (акриловые и метакриловые).

Механические свойства. Повышение механической прочности стекла достигается закалкой, применением специальных склеивающих эластичных прокладок (в автомобильном стекле триплекс), а также введением в состав стекла некоторых окислов (борного ангидрида, глинозема и др.). Предел прочности при растяжении кварцевого стекла равен 120-125 МПа. Прочность закаленного листовою стекла в 6 раз выше прочности незакаленного. Большое влияние на прочность стекла оказывает также состояние поверхности: наличие микротрещин и царапин резко снижает прочность стекла. Твердость стекла наиболее точно измеряется по методу микротвердости. Значение микротвсрдости стекол лежит в пределах 400-700 кГ/.мм2.

Электрические свойства. Электропроводность стекла при нормальной температуре незначительна и не меняется вплоть до 4505 и выше. Чем меньше в составе стеклв щелочных окислов, тем выше его электроизолирующие свойства.Наилучишм ди электриком является кварцевое стекло, в составе которого вовсе кет щелочных окислов. Диэлектрическая постоянная стекла зависит от состава и изменяется в широких пределах..

Оптические свойства. Важнейшей оптической характеристикой является коэффициент преломления. Он зависит от содержания окиси свинца и колеблется от 1.46 (для кварцевого стекла) до 2,0 (для стекла с 80%, окиси свинца). Оконное слекло имеет коэффициент преломления 1,52. Особые сорта стекол обладают способностью селективно поглощать определенные лучи (так создаются сигнальные, защитные, медицинские и другие стекла). Получают средство защиты от тепловых, ультрафиолетовых, рентгеновских и друг их лучей.

Химические свойства. Большинство промышленных стекол достаточно стойко по отношению к воде и кислотам, но слабо сопротивляется действию щелочей. Химическая стойкость стекла зависит главным образом от состава. ( стекла лабораторные, медицинские, водомерные, химической аппаратуры изготовляются из особых составов.) Химически стойкие стекла содержат различное количество окислов бора, алюминия, цинка, циркония и титана и пониженное количество щелочей.

Типы стекла.

В машиностроительных конструкциях находят разнообразное применение жаростойкие стекла, стекловолокно и изделия из него, стекла для атомной техники, стекла для ракетной техники, стекла для электроники, стекла высокой прочности, ситаллы.

Жаростойкое стекло. К нему относятся: кварцевое (наиболее жаростойко), пайрекс, мазла, супремикс и др. кварцевое стекло.

Кварцевое стекло – прозрачное и непрозрачное. Первое получают плавлением горного хрусталя в виде однородного оптически прозрачною стекла, второе из кварцевых песков в виде непрозрачных блоков и изделий, содержащих большое количество газовых включений. Кварцевое стекло отличается исключительно высокой термической и химической стойкостью, является хорошим диэлектриком и применяется в химическом машиностроении, электронике, ракетной технике.

Высокопрочное стекло. Теоретическая прочность стекла на растяжение составляет около 10000 МПа. в то время как реальная прочность стекла в 100 200 раз меньше. Главная причина пониженной прочности – наличие дефектов (микротрещин, царапин и нр.) на поверхности стекла. Существующие способы упрочнения стекла в основном состоят в том, чтобы устранить или ослабить дефектность поверхности. Применяют химические, термохимические и комбинированные методы упрочнения.

Читать еще: Снятие панели приборов в сборе с отопителем Лада Калина

Стекловолокно. Тончайшие нити, имеющие высокие механические свойства.

Стеклянное волокно разделяется но составу на обычное (щелочное алюмоси- ликагное). малощелочное (алюмоборосиликатное), специальное (кварцевое, каолиновое. волокно из окислов алюминия, циркония, кадмия, свинца и др.).

Прочность стекловолокна изменяется главным образом в зависимости от диаметра волокна, а его температурная устойчивость от состава.

Стеклянное волокно бывает непрерывное (длина волокна до 20 км) и штапельное (длина волокна 5-50 см).

По назначению различают текстильное, тепло- и шумоизоляннонное стекловолокно. В зависимости от диаметра стекловолокно подразделяют на ультратонкое (0,1 1.0 супертонкое (1-3 л/к), тонкое текстильное (3-12 мк), тепло- и звукоизоляционное (3-30 мк).

Из стеклянного волокна вырабатывают текстильные материалы (пряжа, ткани, ленты), нетканые материалы, скрепленные смолами или прошитые (холсты, рогожка, маты, сепараторы, скорлупы, жгуты, фильтры н др.).

Вследствие выгодного сочетания высокой механической прочности, термической и химической стойкости стекловолокнистые материалы находят в качестве электроизолирующих прослоек и обмоток, тепловой и звуковой изоляции, огнестойких и химически стойких материалов, зашиты от проникающей радиации н во многих других случаях. Особое значение приобретает стекловолокно и материалы на его основе (стеклопластики) в ракетной технике, атомной технике, судостроении и машиностроении.

Стеклокристаллические материалы – ситаллы, получают методом каталитической кристаллизации стекол. По химическому составу ситаллы могут быть литиевосиликатными, магний-алюмосиликатными, кальций-алюмосиликатными и т. и.

Сигалл получают из шихты определенного состава, в которую добавляют катализатор кристаллизации. Из полученной смеси варяг стекло, формуют в изделия, а затем их нагревают по специальному режиму и превращают в поликристаллический материал -ситалл. Ситаллы имеют весьма тонкую кристаллическую структуру с размер зёрен 0,1—1.0 мк, что определяет высокую прочность ситаллов 150- 500 МПа и выше.

Коэффициент термического расширения ситаллов от 20×10 7 до 200×10 7 . Эго наряду с высокой механической прочностью, определяет повышенную термостойкость ситаллов (500-900°С).

Стеклас электропроводящей пленкой получают нанесением на поверхность стекла тонких, прозрачных электропроводящих пленок из окислов олова, индия, титана. кадмия, сурьмы и др. Такие стекла применяют для остекления, исключающего обледенение и запотевание, для электрообогреваемых панелей ,каминов и т. п.

Пленочное и чешуйчатое стекло. Получают вытягиванием из расплава или растягиванием разогретого листового стекла. Чешуйчатое стекло получают измельчением пленочного стекла. Толщина пленочного стекла 5-100 мк при ширине ленты 10 500 мм; толщина чешуйчатого стекла 1-5 мк. Сопротивление разрыву плёночного стекла до 1000МПа, электрическая прочность 70-500 кв/мм. Плёночное и чешуйчатое стекло применяют для конденсаторов, заменителей слюды, стеклопластиков, покровных стекол и т. и.

Зашитное стекло. Для поглощения медленных (тепловых) нейтронов служат стекла, в составе которых необходимо иметь один из следующих окислов: кадмия, бора. гадолиния, лития, индия. Существуют стёкла следующих видов:

1Стекло для поглощения нейтронов;

2Стекла, поглощающие гамма-лучи;

3Стекла сопряженного действия для поглощения нейтронов и гамма-лучей;

4Теплопоглощающие стекла применяются для остекления зданий и транспорта в случае необходимости защиты от чрезмерного нагревания.

Стеклосмазка. Стекла специальных составов используют в качестве смазки при горячем прессовании (выдавливании в производстве труб и проката из сплавов титана, молибдена, ванадия, циркония, хрома, никеля и жаростойких стекол). Стеклосмазка снижает расход энергии при прессовании, волочении и прокатке, увеличивает срок службы оборудования и его производительность. Стеклосмазка позволяет осуществлять защиту металла от окисления и сильно уменьшает трение в процессах деформации.

Жаропрочное стекло.

Жаропрочное стекло – производится с помощью метода, аналогичного процессу упрочнения, часто на одном и том же заводе, но диапазон толщины до 8 мм или менее. Жаропрочное стекло примерно в 2 раза прочнее закаленного стекла, но бьется так же. Оно в основном используется для сопротивления тепловому воздействию, где не нужны защитные свойства упрочненного стекла.

Технология углепластика с повышенными характеристиками различного функционального назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Загоруйко, Нина Ивановна

Специальность ВАК РФ 05.17.06
Количество страниц 127

Оглавление диссертации кандидат технических наук Загоруйко, Нина Ивановна

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Углеродные волокна как уникальный наполнитель для конструкционных композитов.

1.1.1. Способы получения углеродных волокон из различной сырьевой базы. Современные технологии углеродных нитей.

1.1.2. Морфология углеродных волокон.

1.1.3. Физико-химические свойства углеродных волокон.

1.2. Роль поверхностных явлений в полимерах.

1.3. Повышение адгезии углеродных волокон к полимерному связующему.

1.4. Влияние характера взаимодействия и совместимости олигомера с углеродными волокнами на формирование структуры композита и его свойства.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования и обоснование их выбора.

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Методы испытаний по ГОСТ.

2.2.2. Методика проведения синтеза фенолформальдегидных резольных олигомеров на поверхности углеродного волокна.

2.2.3. Методика определения прочности микропластика на основе углеродной нити.

2.2.4. Метод термогравиметрического анализа.

2.2.5. Метод инфракрасной спектроскопии.

2.2.6. Метод растровой электронной микроскопии.

2.2.7. Определение метилольных групп и свободного формальдегида.

2.2.8. Метод набухания.

2.2.9. Метод рентгеноструктурного анализа.

ГЛАВА 3. СОРБЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОЙ

СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

3.1. Кинетические закономерности сорбции фенола углеродными волокнами.

3.2. Исследование сорбционных характеристик волокнистого углеродного сорбента.

3.3. Соотношение размерности пор наполнителя и молекулярного диаметра используемых мономеров.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН, ПОЛУЧЕННОГО ПО АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

4.1. Изучение технологических особенностей поликонденсационного наполнения в присутствии углеродных волокон.

4.2. Влияние углеродного волокна на синтез фенолформальдегидного олигомера.

4.3. Исследование структуры и свойств углепластика поликонденсационного способа наполнения.

ГЛАВА 5. НАПРАВЛЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ УГЛЕПЛАСТИКА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ПОЛИКОНДЕНСАЦИ

5.1. Активация углеродных волокон.

5.2. Влияние активированного углеродного волокна на синтез фенолоформальдегидного олигомера.

5.3. Структура и свойства углепластика на основе активированного углеродного волокна.

ГЛАВА 6. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УГЛЕПЛАСТИКА ПОЛИКОНДЕНСАЦИОННОГО СПОСОБА НАПОЛНЕНИЯ

6.1. Влияние режимов сушки на свойства изделий из углепластика.

6.2. Разработка принципиальной технологической схемы пол5Аения композиционного материала на основе углеродного волокна альтернативным способом.

ГЛАВА 7. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗРАБОТАННОГО УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С АНАЛОГАМИ. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология углепластика с повышенными характеристиками различного функционального назначения»

Научно – технический прогресс в настоящее время базируется на развитии полимерных композиционных материалов (ПКМ). Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно применяемых материалов – все это возможно только благодаря новым композиционным материалам.

Работы в области ПКМ развиваются в двзЛх направлениях.

Первое – достижение рекордных характеристик (максимальной удельной прочности, жесткости, теплостойкости и др.). Развитие этого направления требуется, главным образом, для специальных отраслей промышленности (космос, самолето-, ракетостроение и др.).

Второе – резкое снижение стоимости за счет применения недефицитного сырья, имеющего крупнотоннажную базу, и высокопроизводительных технологий получения и переработки – это направление необходимо для широкого внедрения ПКМ в народное хозяйство.

Достижения современной науки и техники потребовало разработки новых материалов, способных работать в экстремальных условиях – при воздействии повышенных температурах, давлении и агрессивных сред.

К подобным материалам относятся углепластики (УП) – композиционные материалы на основе волокнистых углеродных материалов и различных полимерных, в основном термореактивных матриц.

Единственным недостатком в экономическом плане известных углеволокнистых композитов является их высокая стоимость.

На кафедре химической технологии СГТУ разработан и освоен в объеме мелкосерийного производства новый метод технологии ПКМ: способ поликонденсационного наполнения на основе химических волокон и магнитных порошков (патент РФ № 2021301, патент РФ № 2084033, патент РФ № 2128195).

Использование этого метода в технологии ПКМ позволяет не только снизить стоимость получаемых изделий из углепластика за счет сокращения технологических стадий и используемых реагентов, но и повысить их механические и физико-химические свойства.

Метод поликонденсационного наполнения (ПКН) позволяет решить одну из важнейших проблем наполненных композиционных материалов – проблему совместимости неорганической и органической (полимерной) фаз. Условия поликонденсации обеспечивают покрытие частиц и и т- волокнистой или дисперсной природы сплошным полимерным слоем. В связи с этим в процессе ПКН можно достичь высоких степеней наполнения без нарушения сплошности структуры композиции и при сохранении ее высоких прочностных показателей.

Введение химических волокон с реакционно-способными группами на поверхности в среду мономеров на стадии синтеза связующего облегчает доступ мономеров к этим группам, при этом возможно взаимодействие наполнителя и связующего с формированием особой структуры композиционного материала, обладающего повышенными физико-механическими свойствами.

Помимо повышения физико-механических и химических показателей, разрешается целый ряд технико-экономических и экологических задач (сокращение с 10 до 3 стадий процесса, снижение трудоемкости, экономия энергии, комплексное усовершенствование выпускаемой продукции, экологически чистые технологии, малоотходность, рецикли-зация).

В настоящее время с учетом важности и значимости углепластиков в различных отраслях промышленности, возникла необходимость определить эффективность использования углеродных волокон в качестве армирующей системы ПКМ, сформованных способом поликонденсационного наполнения.

Целью настоящей работы являлись исследования и разработка альтернативной технологии злглепластика на основе фенолоформальдегид-ного связующего и углеродных волокон.

Для достижения поставленной цели в задачу входило:

Читать еще: Блок предохранителей в салоне

• Установление закономерностей и параметров поликонденсационного наполнения фенолоформальдегидного связующего зтлеродными волокнами

• Изучение особенностей адсорбции растворов фенола на поверхности различных углеродных волокон. Определение соотношения молекулярных диаметров реагирующих молекул мономеров с размерностью пор в исходном и активированном углеродных волокнах

• Определение влияния исходного и активированного углеродного волокна на реакцию поликонденсации мономерной смеси фенол -формальдегид – катализатор

• Сравнительная оценка взаимосвязи структуры и свойств ПКМ на основе углеродных волокон, полученных по альтернативной и традиционной технологии

• Разработка принципиальной технологической схемы и обоснование технико-экономической эффективности разработанной альтернативной технологии ПКМ.

Научная новизна представляемой работы заключается в том, что впервые:

Доказана эффективность получения ПКМ на основе углеродного волокна и фенолоформальдегидного связующего способом поликонденсационного наполнения. Определены технологические параметры синтеза фенольного олигомера в структуре и на поверхности УВ. Отмечено каталитическое влияние волокнистой системы на процессы синтеза и отверждения фенолоформальдегидного связующего.

Изучены процессы структурообразования в системе фенолоформаль-дегидная матрица – различные по активности УВ при поликонденсационном способе наполнения. Взаимодополняющими методами исследования (ИКС, ТГА, РСА, электронной микроскопии и др.) установлено, что в присутствии УВ формируется более совершенная и сшитая структура УП, обеспечивающая высокие прочностные и физико-химические характеристики материала.

• Установлены закономерности адсорбции мономера в пористую структуру углеродных волокон. Определено наибольшее влияние на характер адсорбции окислительной активации поверхности волокон.

• Доказано, что активация поверхности УВ кипящим окислителем оказывает более сильное каталитическое влияние на процесс поликонденсации и структурообразование по сравнению с исходным У В, что подтверждается повышенными химическими и физико-механическими характеристиками получаемого углепластика.

Практическая значимость работы заключается в получении нового углеродного полимерного материала с повышенными физико-механическими и физико-химическими характеристиками, водо -, термо-, хемостойкого, негорючего и нетоксичного, который рекомендуется для изготовления деталей и механизмов конструкционного назначения, работающих в экстремальных условиях, требующих от материала долговечной надежности при внешних воздействиях.

Статьи

Арматура из углепластика и листовые углепласты

В последнее десятилетие наметилось и активно развивается направление создания и использования композитных материалов на основе углепластиков. При формировании листового или арматурного углепластикового изделия в качестве связующего используется термореактивная синтетическая смола или термопласт. Материал, называемый углепластом или углеродопластом получается при внесении в матрицу углеродных нитей, волокон или матов. В результате формируется полимерная структура, армированная углеродным волокном, для которого характерны высокие показатели прочности и другие весьма полезные свойства.

Появление углепластов произвело в промышленности переворот, сравнимый с тем, который в свое время вызвала экструзия полимеров. Стали доступны технологические решения, позволяющие применять синтетические и полимерные материалы там, где раньше использовался металл, что заметно расширило возможности создания конструкций, обладающих высокой прочностью и небольшим весом.

Особенности и преимущества углепластиков

Самыми ценными с производственной и конструктивной точек зрения считаются углепластики с непрерывными и высокопрочными волокнами. для них характерна упругость с модулем выше 150 ГПА, при этом материал отличается:

малой плотностью и весом;
высокой прочностью и упругостью;
высокими показателями химической и радиационной стойкости;
способностью переносить вибрации, статические и динамические нагрузки;
минимальным, близким к нулевому, коэффициентом линейного расширения.

Листовые пластики, армированные углеродными нитями, волокном и матами сделали возможным создание нового поколения транспортных средств, в которых тяжелые металлические конструкционные детали заменяются легкими композитами. Это касается разработок в авиации, автомобилестроении, судостроении и железнодорожном транспорте. Конструкция крыла и центроплана самолета, корпуса судна и кузова автомобиля может потерять в весе до 20 % в сравнении с металлическим аналогом, но по прочности окажется равной или превосходящей его. Особо ценится способность армированных углеродом материалов сохранять свойства после значительного изгиба, что далеко не всегда доступно при использовании металлических конструкций.

Углепластик в строительстве – арматурные прутки

В строительстве углепластик нашел применение в качестве высокопрочной арматуры, которую можно применять в ответственных конструкциях с ограничением по весу. Металлические арматурные прутки, которым долгое время невозможно было найти замену, обладают рядом недостатков, не свойственных углепластикам:

металл подвержен коррозии, которая ограничивает срок службы железобетонных конструкций;
арматура проводит электрический ток;
в некоторых конструкциях металлическая арматура проявляет недостаточную стойкость к ударным нагрузкам;
достижение необходимой прочности связано с приростом веса, а это вносит серьезные ограничения в возможности создания сложных сооружений.

С освоением технологии связывания углеродного волокна в пучок с помощью полимера, арматура из карбона вышла на строительный рынок как одна из альтернатив металлу.

Карбоновая арматура для бетонного монолита

В результате многочисленных экспериментов и испытаний были выработаны ТУ для производства и использования карбоновой арматуры. Сейчас выпускаются карбоновые стержни и прутки, диаметр которых может доходить до 3,2 см, а вес заметно отличается от аналога из металла.

Преимущества углепластов проявились в полной мере, когда на эксплуатационном уровне было доказано, что новая арматура:

обладает прерывистой внутренней структурой с гибкими связями, за счет чего выдерживает высокие нагрузки на сжатие, удары и усилия на излом;
имеет удельный вес в 10 раз меньше, чем традиционно используемая углеродистая сталь;
перевозится с меньшими затратами, проявляет стойкость к химически агрессивным и активным средам, не разрушается при контакте с водой и влажным воздухом;
обладает минимальной теплопроводностью и имеет широкий диапазон эксплуатационных температур (-70 – +200-300 С).

Дополнительным преимуществом можно считать отсутствие опасности коротких замыканий через арматуру и снятие ограничений на радиосвязь, поскольку арматура не создает характерного для металлического каркаса экрана. Считается, что перспективу использования материала заметно расширяет переработка пластика, которая дает возможность получать полимеры из отходов и утилизировать арматуру после завершения эксплуатации здания.

Срок службы карбонового арматурного прутка

Предположительный срок эксплуатации такой арматуры достигает по расчетам 75 лет, но на сегодняшний день не существует сооружений, на которых можно доказать эти расчеты. Отдельные специалисты высказывают предположения, что срок может оказаться значительно большим. Единственным из заметных недостатков остается ограничение на изгиб – арматура ломается при такой нагрузке, так как модуль упругости прутка в 4 раза уступает показателю металлического аналога.

Термопластичные углепластики XXI века

Развитие машиностроения сегодня немыслимо без использования новых композиционных материалов: сочетание свойств армирующих наполнителей и полимерных связующих позволяет получать заданные физико-механические свойства. Углепластики – наиболее яркий пример подобных материалов – состоят из углеродных волокон (УВ) и полимерного связующего.

ООО НПЦ «УВИКОМ» – разработчик широкого ассортимента углеволокнистых наполнителей и композитов на их основе. УВ различаются по происхождению сырья – синтетического полиакрилонитрила (ПАН), или природного, как гидрат-целлюлоза (ГЦ) и мезо-фазные пеки.

В РФ сегодня выпускаются УВ на основе ГЦ под торговой маркой УВИС, и на основе полиакрилонитрильного волокна (УКН, УК, ЭЛУР, ЛУ и т. д.). Для них характерно сочетание высоких упруго-прочностных показателей с электропроводностью, теплопроводностью, антифрикционными свойствами, химической стойкостью. В этой статье речь идет о термопластичных хаотично-армированных углепластиках, получаемых методом двушнековой экструзии и перерабатываемых литьевым прессованием или литьем под давлением. Учитывая возможности сырьевой отечественной базы и техническую оснащенность наших потребителей, мы ограничили свои разработки полиамидными и полипропиленовыми композициями. На рис. 1 и 2 показаны зависимости прочности и модуля упругости углепластиков от содержания волокнистого наполнителя, а также сопоставляются уровни свойств этих материалов в XX и XXI веках.

На рис. 1 видно, что благодаря межфазному взаимодействию на границе раздела волокно – матрица, угленаполненный полипропилен перешел в класс конструкционных пластиков. Это делает его конкурентоспособным, а в случае эксплуатации в неблагоприятных атмосферных условиях или в воде – незаменимым. В ООО «НПЦ «УВИКОМ» разработаны и нашли применение в химическом и специальном машиностроение полипропилены марки УПП с различным содержанием УВ. В частности, из материала УПП-30 изготавливались корпуса химических насосов, УПП-30М – подшипники скольжения для манипуляторов подводных исследовательских установок.

Исследования трения УПП-30М, проведенные в ИНЭОС РАН, подтвердили чрезвычайно низкое значение коэффициента трения и отсутствие износа при работе в воде. Кроме того, для подшипников, изготовленных из этого материала, характерно сохранение геометрических размеров при длительной выдержке в водной среде. Таким образом, эти материалы могут быть рекомендованы для использования в судостроении.

Как следует из рис. 2, прочность и модуль упругости композитов на основе полиамида-6, благодаря усилиям исследователей, возросли более чем в два раза (пунктирные кривые). По своим удельным механическим показателям эти материалы не уступают цветным металлам и их сплавам. А преимущества таких высокопроизводительных методов переработки, как литье под давлением, экструзия, литьевое прессование, и т. п. делают их применение оправданным, даже с учетом высокой стоимости УВ.

Повышенный модуль упругости, антистатические, антифрикционные свойства, электропроводимость при высоком содержании УВ в композитах выгодно отличают термопластичные углепластики от их основных конкурентов – стеклопластиков. Специфические свойства углепластиков проявляются уже при 15% содержании углеродного волокна, а если требуется обеспечить повышенную прочность, то можно использовать гибридизацию. Т. е. вводить еще один тип наполнителя – иной природы и более дешевый. В качестве примера, в табл. 1 приведены свойства гибридных композиций на основе УВ, стеклянных волокон и шариков.

Выпускаемые промышленностью полимеры являются диэлектриками. При изготовлении и эксплуатации изделий из них, на поверхности возникают и накапливаются электрические заряды. Для предотвращения этого в полимер могут вводиться антистатические поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное сопротивление. Содержание антистатиков, как правило, не превышает 2%, однако они обычно снижают прочность материала и не обеспечивает равномерности антистатических свойств.

Другой прием заключается во введении в полимерную матрицу электропроводящих наполнителей – металлов и их соединений (серебро, никель, медь), а также электропроводящих углеродных волокон. Этот прием позволяет получать композиты с высокой электропроводностью (на уровне алюминия). Для придания антистатических свойств достаточно ввести 10-15% углеволокнистого наполнителя.

Возможно сочетание трудногорючести и антистатики в одном материале. Такой универсальный материал незаменим при производстве систем оповещения, телефонных аппаратов, корпусов светильников, взрывателей и т. п. – для эксплуатации в шахтах, корпусов различных анализаторов, устанавливаемых на газо- и нефтепроводах. В табл. 2 приведены свойства трудногорючих антистатических композиций.

Читать еще: Замена масла в двигателе как делать это правильно

Значительная доля хаотично-армированных термопластичных углепластиков (около 50%) используется для изготовления деталей узлов трения, в том числе – с затрудненным поступлением смазки. Введение углеволокнистого наполнителя в термопласт помимо снижения коэффициента трения и повышения износостойкости, способствует значительному снижению температуры в зоне контакта трущихся поверхностей, что существенно повышает срок эксплуатации деталей.

Разнообразные подшипники скольжения, втулки, вкладыши, компрессионные кольца, шестерни и т. д. в автомобилях, промышленных тракторах, сельскохозяйственных комбайнах и приборах изготавливаются из углепластиков. ООО «НПЦ «УВИКОМ» в сотрудничестве с ИНЕОС РАН накопил существенный опыт в области создания антифрикционных материалов (Патент РФ №2237690 от 10.10.2004). Технические условия ТУ 2253-0001-18070047-00 включены в реестр АвтоВАЗа. На рисунке 3 можно видеть детали узлов трения, изготовленные из литьевых углепластиков и другие примеры применения этих уникальных материалов.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум – 2018

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИСТОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ СОЗДАНИИ КУЗОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ, ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКА

Углеродные конструкционные материалы (УКМ) отличаются от известных конструкционных материалов более высокой удельной прочностью и жесткостью. Однако полимерные матрицы обладают низкой термостойкостью, что ограничивает область применения УКМ.

Цель данной статьи состоит в приведении и рассмотрении характеристик УКМ, а также указании их распространения в создании кузовных элементов автомобилей.

В статье также для сравнения рассмотрены характеристики некоторых композиционных и других материалов.

Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Требуемые значения механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и от воздействия на него рабочей среды и температуры.

Температурный диапазон работы современных материалов очень широк: от -269 до 1000 ºС, а в отдельных случаях до 2500 ºС.

Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих легирующие элементы, должно быть обосновано повышением эксплуатационных свойств деталей.

Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований [1].

Свойства углеродных конструкционных материалов

Введение в полимерные материалы углеродных волокон позволило создать принципиально новый класс конструкционных материалов – углепластиков. Они представляют собой КМ на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными или дискретными углеродными волокнами.

Рисунок 1 – Лист из углепластика

Оптимальное содержание углеродных армирующих материалов в углепластике составляет 52–60 % по массе в зависимости от его вида.

Отличительные особенности углепластиков, которыми они обладают благодаря углеродным волокнам, – высокая прочность при чрезвычайно высоком модуле упругости и низких плотности и ползучести. Кроме того, у них очень высокая теплостойкость и устойчивость к термическому старению.

Характерной особенностью углепластиков является высокая анизотропия всех механических и электрофизических свойств, которая в 2-3 раза выше анизотропии свойств стеклопластиков (табл. 1).

Таблица 1 –Анизотропия свойств углепластиков[2]

Прочность при растяжении

Прочность при сжатии

Модуль упругости при растяжении

Поэтому при проектировании структуры углепластиков и изделий из них необходимо учитывать направление (вектор) действия нагрузок при эксплуатации.

Среди недостатков углепластиков – меньшая, по сравнению с другими армированными пластиками, удельная ударная вязкость и более высокая чувствительность к концентрации напряжения. Чередование в структуре материала армирующих наполнителей различной химической природы позволяет устранить эти недостатки. С этой целью производят комбинированные ткани на основе смесей стеклянных и углеродных волокон [2].

Конструкционные углепластики содержат в качестве наполнителя высокомодульные (E = 342 – 540 ГПа) и высокопрочные (σ_ez = 2,5 ГПа) углеродные волокна. Для конструкционных углепластиков характерны низкие плотность и коэффициент линейного расширения и высокие модуль упругости, прочность, термостойкость, тепло- и электропроводность.

Ценное свойство углепластиков – их высокая демпфирующая способность и вибропрочность. По этим показателям углепластики превосходят металлы и некоторые другие конструкционные материалы. Регулировать демпфирующую способность можно, изменяя угол между направлениями армирования и приложения нагрузки.

Коэффициент линейного расширения высокомодульных однонаправленных углепластиков в продольном направлении близок к нулю, а в интервале 120 – 200 ºС даже отрицателен (-0,5·10 -6 1/ºС). Поэтому размеры изделий из углепластиков при нагреве и охлаждении изменяются очень мало.

Углепластики обладают довольно высокой электропроводностью, что позволяет применять их как антистатические и электрообогревающие материалы.

Химическая стойкость углепластиков позволяет применять их в производстве кислотостойких насосов, уплотнений. Углеродные волокна имеют низкий коэффициент трения. Это дает возможность использовать их в качестве наполнителя для различных связующих, из которых делают подшипники, прокладки, втулки, шестерни [3].

В табл. 3 представлены для сравнения характеристики некоторых металлических, полимерных материалов конструкционного назначения и углепластиков.

Таблица 2 – Свойства некоторых конструкционных материалов [4]

Плотность, кг/м 3

Прочность при растяжении, МПа

Модуль Юнга, ГПа

Удельная прочность, е∙10 3 , км

Удельныймодуль, Е∙10 6 , км

Полиамид 6,6+40 мас. % стекловолокна

Полиамид 6,6+40 мас. % углеродного волокна

Как видно из табл. 2, по показателям удельной прочности и жесткости углепластики превосходят практически все наиболее широко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы. Интересно отметить, что такой сравнительно непрочный конструкционный полимерный материал, как полиамид, при введении в него углеродных волокон по показателям удельной прочности и жесткости приближается к металлическим конструкционным материалам.

Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью ко всем агрессивным средам за исключением сильных окислителей. Высокая химическая стойкость углеродных волокон определила разработку хемостойких углепластиков взамен нержавеющих сталей, сплавов и цветных металлов для изготовления различной аппаратуры и узлов машин, работающих в условиях воздействия агрессивных сред: коррозионностойких насосов, емкостей и трубопроводов.

Наряду с высокими механическими свойствами и хемостойкостью углепластики обладают хорошими антифрикционными характеристиками, сравнительно низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью. Коэффициент трения углепластиков колеблется от 0,1 до 0,17 в зависимости от условий испытания, а по износостойкости они в 5–10 раз превосходят антифрикционные марки бронзы, используемые для изготовления подшипников скольжения [4].

График 1 – Температурные зависимости удельной прочности при растяжении различных высокотемпературных материалов [5]

Специфика использования свойств УУКМ связана с рядом уникальных особенностей, присущих классу углеродных материалов. Присутствие волокнистого наполнителя в объеме УУКМ делает уровень их физико-механических свойств недостижимым для традиционных углеродных материалов. Варьирование пространственным расположением волокнистого наполнителя композита является эффективным инструментом в управлении анизотропией свойств УУКМ.

Общий принцип получения УУКМ состоит в создании армирующего каркаса и формировании углеродной матрицы в его объеме [7].

Применение углеродных конструкционных материалов

Не осталось в стороне от технологического прогресса и автомобилестроение. Многие ведущие фирмы стремятся использовать углепластики в конструкции выпускаемой ими техники. Так, фирма Mercedes-Benz изготавливала автомобиль McLarenSLR с углепластиковым кузовом, который весит на 50 % меньше стального и на 30 % меньше алюминиевого. А использование углепластиковых крыши и бампера позволило повысить устойчивость автомобиля BMW M6 на дороге при больших скоростях движения, так как позволило опустить центр его тяжести. Фирма Honda изготавливает из углепластика воздухозаборники некоторых моделей. Масса таких воздухозаборников на 75 % меньше массы аналогичных деталей из алюминиевого сплава.

Предполагается использование углепластиков для изготовления следующих деталей автомобилей: листовых рессор, лонжеронов и поперечин рам, элементов крепления двигателя и коробки передач, рычагов подвески, карданного вала, шатунов, поддона картера двигателя и др.

К одним из наиболее значимых достижений в материаловедении и технологии неметаллических материалов за последние годы следует отнести разработку процессов производства углеродных материалов, которые характеризуются химической инертностью, малой плотностью, хорошими электрофизическими свойствами, возможностью регулирования теплопроводности и электрического сопротивления в широких пределах.

Развитие композиционных углеродных материалов связано с поиском новых связующих и армирующих наполнителей, разработкой уникального технологического оборудования, снижением длительности технологического цикла, затрат энергии, повышением качества получаемого материала и улучшением его характеристик.

Применение современных углеродсодержащих композиционных материалов в различных отраслях техники позволило резко снизить массу ракет, самолетов, автомобилей, судов, повысить их дальность действия, увеличить мощность двигателей, создать новые конструкции, работоспособность которых значительно возросла.

Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ.ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., переработ. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 648 с., ил.

Комарова Т.В. Получение углеродных материалов: Учеб.пособие / РХТУ им. Д.И Менделеева. – М., 2001. – 95 с.

Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные материалы: учебное пособие. – М.: МГИУ, 2009. – 384 с.

Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ.ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.; ил.

Свойства углепластиков и области их применения / Б.И. Молчанов, М.М. Гудимов. ВИАМ. 1996.

Композиционные материалы системы углерод-углерод. [электронный ресурс]. Методическое пособие к самостоятельной работе студентов. СПб.: СПГУТД. – 2006. Лысенко А.А., Грибанов А.В., Тарасенко А.А., Лысенко В.А.

Новые материалы. Колл.авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. – М: МИСИС. – 2002 – 736 с.

Источники:

http://helpiks.org/8-90842.html
http://infopedia.su/12x529a.html
http://www.dissercat.com/content/tekhnologiya-ugleplastika-s-povyshennymi-kharakteristikami-razlichnogo-funktsionalnogo-nazna
http://www.plastikp.ru/stati/?ELEMENT_ID=973
http://dfnc.ru/c108-novosti-2-1/termoplastichnye-ugleplastiki-xxi-veka/
http://scienceforum.ru/2018/2934/3238

голоса

Рейтинг статьи