Параметры деформирования титановых матриц

Таблица 2.1

Материал	Температура деформирования Т, ºС	Напряжение сверхпластического течения, МПа
ВТ1-0   ОТ4-1   ВТ3-1   ВТ-14	850-875	12-15   11-15   4-6   11-15

 

 

Углеродная матрица. Углеродная матрица, подобная по физико-механическим свойствам углеродному волокну, обеспечивает термостойкость углерод-углеродного композиционного материала и позволяет наиболее полно реализовать в композите уникальные свойства углеродного волокна. Метод получения углеродной матрицы определяет ее структуру и свойства.

Получается в результате специальной обработки (карбонизации) систем, состоящих из углеродных волокон и фенольных смол или пеков. Отвержденную смолу подвергают пиролизу в инертной среде или в вакууме. Если конечная температура не превышает 800-1500° С, получается карбонизированный материал. В случае нагрева карбонизированного материала до 2500-3000° С происходит его графитизация. Пиролиз, как правило, сопровождается усадками и увеличением пористости, что вызывает необходимость последующего уплотнения матрицы. Процесс уплотнения осуществялется пропиткой органической смолой или пеком и повторным циклом пиролиза или пропусканием углеродосодержащего газа, в результате которого происходит пиролитическое осаждение углерода в порах. Многократное повторение цикла пропитка-отверждение-карбонизация благоприятно сказывается на механических свойствах композита, но ведет к значительному увеличению продолжительности изготовления.

Углеродная матрица может быть также образована прямым химическим осаждением из газовой фазы на заготовки из сухого углеродистого волокна. При этом используют метан или другой подобный углеводород в комбинации с водородом или аргоном.. Процесс осуществляют при сравнительно высокой температуре порядка 1000-1500° С. Матрицы, полученные методом химического осаждения, имеют большую плотность, более высокое содержание углерода, лучшие характеристики сцепления матрицы с армируюшим волокном, но и более высокую стоимость, чем матрицы полученные из смол и пеков.

Основые преимущества композитов с углеродной матрицей состоят из высокой теплостойкости, стойкости к тепловому удару и облучению, химической инертности. Эти материалы обладают высокими механическими характеристиками при повышенной температуре, малой плотностью и рядом других ценных свойств, позволяющих их применять в термонагруженных защитных и конструкционных элементах.

К их недостаткам можно отнести длительность и сложность процесса получения углеродной матрицы, ее хрупкость, а так же трудности, возникающие при решении проблемы крепления и соединения деталей из этих материалов.

Полимерные матрицы. В качестве матричных материалов полимерных композитов используют термореактивные и термопластичные связующие.

Многие полимерные матрицы, являясь по сути термореактивными, обладают также термопластичными свойствами. Тем не менее, традиционная классификация делит полимерные матрицы на два типа: термореактивные и термопластичные. Различаются они как по технологии производства готовых изделий, так и по механико-прочностным свойствам.

Термореактивные матрицы образуются из смолы, отвердителя, катализатора или инициатора отверждения, и растворителя, который иногда вводят для понижения вязкости и улучшения процесса пропитки системы армирующих элементов. В исходном состоянии термореактивное связующее представляет собой вязкую жидкость, которая после полимеризации при нормальной или повышенной температуре отверждения образует нерастворимую и неплавкую матрицу.

В производстве конструкций из композитных материалов в настоящие время используются полиэфирные, фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и полиимидные связующие.

Полиэфирные связующие отвержадаются в диапазоне от комнатной температуры и атмосферном давлении до +180° С и при повышенном атмосферном давлении.

К достоинствам полиэфирных связующих относятся малая вязкость полимеров, обеспечивающая простоту совмещения с волокнами; простота модифицирования другими смолами, хорошие химические и электрические свойства.

К недостаткам относится: слабая адгезия, большая усадка, невысокий уровень механических характеристик в отвержденном состояниии наличие в составе токсичных веществ типа стирола.

Фенолформальдегидные связующие. В зависимости от соотношения компонентов и условий процесса получения, образуются новолачные и резольные феноформальдегидные смолы. Они отверждаются при температурах 160°-200° С, с применением значительного давления 30-40 МПа и выше. Получаемые в результате полимеры стабильны при длительном нагревании до 200° С, а в течение ограниченного времени способны противостоят воздействию и более высоких температур - несколько суток при температурах 200-250° С, несколько часов при темперауре 500-1000 ° С. Разложение начинается при тмпературе около 3000° С.

К недостаткам таких смол можно отнести их хрупкость, что обусловлено значительными остаточными напряжениями, возникающими в материале при отверждении, и большую объемную усадку (15-20 %) при отверждении, связанную с выделением большого количества летучих веществ. Чтобы получить материал, необходимо применять высокие давления.

К достоинствам фенолформальдегидных связующих относятся их хорошие изолирующие свойства и устойчивость к влаге. Химическая устойчивость также достаточно высока, за исключением концентрированных кислот и щелочей.

Эпоксидные связующие обладают целым комплексом благоприятных свойств, определивших широкое применение в производстве КМ. К этим свойствам относятся: выдающаяся химическая стойкость, высокие диэлектрические характеристики, превосходная адгезия, позволяющая наиболее полно использовать свойства армирующих волокон, и малая усадка при отверждении (1-5%), практически без выделения летучих вешеств. Эпоксидные связующие могут долгое врямя находится в полуотвержденном состоянии, что позволяет изготовлять на основе эпоксидных смол различного вида предварительно пропитанные и частично отвержденные полуфабрикаты (препреги). Отвержденые эпоксидные связующие имеют достаточно высокие механические характеристики, стойки к воздействию многих растворителей и агрессивных сред, влагостойки, и могут эксплуатироваться до температуры 150° С.

К недостаткам эпоксидных связующих относится их относительно невысокая теплостойкость, приводящая к резкой потере прочностных свойств при температурах, близких к температуре стеклования полимера.

Модифицированные эпоксидные связующие имеют повышенную теплостойкость, и пластики на их основе могут оставаться работоспособными при температурах 180...200 ºС.

Кремнийоргнаические связующие характеризуются работоспособностью в широком интервале температур (от –200 до +350° С), стойкостью к действию органических растворителей и минеральных кислот, высокими диэлектрическими свойствами.

К недостаткам относятся: низкие, по сравнению с другими связующими, механические свойства при невысоких температурах (до 100° С); необходимость высоких давлений при формовании изделий; длительный цикл отверждения и высокая стоимость.

Полиимидные связующие. В качестве связующих полиимиды можно использовать только на промежуточных стадиях их получения, так как на конечной стадии образования они теряют пластичность и растворимость. Они отверждаются при сравнительно высокой температуре (300-350° С) и отличаются стойкостью к действию различных агрессивных сред, стабильностью в широком интервале температур, хорошими механическими свойствами при температуре, большей чем у других полимеров (около 320° С).

Первоначально использовали поликонденсационные полиимидные связующие, при отверждении которых выделялось большое количество низкомолекулярных веществ и воды, что приводило к большой пористости пластика (до 20 % объема).

В настоящее время предпочтение отдают полиимидным связующим полимеризационного типа, состоящим из олигомеров и смесей имидообразующих мономеров. На волокно связующее наносится из их растворов (40%-ной концентрации). Эти связующие пригодны для совмещения с волокнами различными методами, и на их основе можно изготавливать препреги с длительной жизнеспособностью.

К недостаткам полиимидных связующих относятся значительные технологические трудности изготовления изделий из материалов на их основе.

 

Термопластичные матрицы. В последнее время все чаще в качестве матриц находят применение термопластические (расплавляемые при нагревании и затвердеваемые при охлаждении) связующие. Преимущества таких матриц по сравнению с термореактивными заключается в отсутствии такого длительного и энергоемкого процесса, как полимеризация, расширение технологических возможностей вследствие применения характерных для термопластов методов производства – штамповки, гибки, послойного комбинирования листовых заготовок, сварки, пултрузии и т.п. Термопластические полимеры, обладая завершенной химической структорой (которая имеет по сути неограниченную жизнеспособность) по уровню механических характеристик не уступают термореактивным, а по уровню химических (устойчивость к растворителям, топливу и маслу) превосходят их. Также термопластичные связующие обладают высокой термостойкостью в пределах температур от 120° С до 200° С. К конструкторским преимуществам композитов на основе термопластичных связующих относят надежность изделий из них, достигаемую прежде всего вследствие низкого уровня остаточных напряжений, релаксирующих в термопластичной матрице в первые часы после формования изделия.

Среди недостатков выделяются два: первый - их механические свойства более температурно зависимы, чем у термореактивных связующих. Второй же недостаток технологического характера: для производства изделий требуется сравнительно высокая температура (~380° С), а так же по причине высокой вязкости расплавов термопластических связующих приходится при производстве применять достаточно высокое давление, что зачастую приводит к разрушению армирующих волокон. Одним из вариантов выхода из этой ситуции является использованние технологии чередования слоев армирующих волокон и пленки связующего (например высокомодульных органических волокон и полиамидной пленки), правда, при таком совмещении глубина пропитки существенно зависит от толщины армирующих нитей, жгутов, лент, а также от сложности геометрии формы формуемого изделия (двойная кривизна, поднутрения и т.п.), или формирование жгутов и лент из армирующих и термопластичных элементов (например из поликапроамида, полипропилена, полиамида). В процесссе термобработки под давлением, термопластичные пленки и волокна расплавляются и, заполняя пространство между армирующими элементами, образуют непрерывную матрицу.

Применение матричных термопластичных волокон позволяет получать сверхвысокоармированные композиты с предельной степенью армирования, близкой к единице, низкой пористостью (до 0,25 % объема), а в некоторых случаях создавать безматричные композиты, в которых монолитность армирующих волокон достигается за счет их сварки или аутогезионного взаимодействия.

Среди термопластичных связующих особое место занимают связующие нового типа, называемые роливсанами, которые дают возможность сочетать высокую теплостойкость композита и легкую перерабатываемость связующего. Роливсаны предназначены для получения композитов и изделий из них с широким диапазоном температур эксплуатации (270...620 К). Основным преимуществом роливсанов перед другими связующими является сочетание жидкого состояния малотоксичной исходной композиции, незначительного выделения побочных летучих продуктов при ее отверждении, с высокой теплостойкостью и прочностью как самой матрицы, так и композитов на ее основе.

 

Физико-механические характеристики:

Характеристика	Роливсан НВ-1
Предел прочности при растяжении, МПа   Модуль упругости, ГПа   Плотность ρ·10‾³, кг/м³   Теплостойкость Т, ºС   Относительное удлинение, %	2,0   1,16     3-4

 

Полимерные пленочные материалы. Пленками называют материалы, представляющие собой сплошные тонкие слои вещества. Специфическим показателем для пленок являеттся соотношение между массой и поверхностью. Для технических пленок характерно сочетание высокой прочности с гибкостью. Узкие пленки называют лентами.

Классифицируют пленки по их химической основе (полиэтиленовые, полистирольные и т.д.), иногда в соответствии с распространенным фирменным названием (целлофан, саран, лофеон).

 

Таблица 1.3 Физико-механические характеристики отвержденых связующих

 

Параметр	Термореактивне связующие	Термопластические связующие
Поли-эфирные	Феноло-формаль-дегид- ные	Эпок-сидыне	Кремний органиче-ские	Полиамид- ные	Нейлон	Полифе-нилен-сульфид	Сопо-лимер этилена	Полису-льфон	Полиэфир термопла-стичный
Предел прочности, Мпа -при растяжении	30-70	40-70	35-100	25-50	90-95
- при сжатии	80-150	100-125	90-160	60-100	250-280
Модуль упругсти, ГПа	2,8-3,8	7-11	2,4-4,2	6,8-10	3,2-5	2,8	4,2	1,4	2,7	2,5
Плотность10-3, кг/м3	1,2-1,35	1,2-1,3	1,2-1,3	1,35-1,40	1,41-1,43	1,14	1,34	1,7	1,25	1,32
Теплостой-кость,° С	50-80	140-180	130-150	250-280	250-320
Относительное удлиннение, %	1,0-5,0	0,4-0,5	2-9	0,3-0,5	1-2,5		3-4		50-100
Объемная усадка, %	5-10	15-25	1-5	15-20	3-20

 

Таблица 1.4 Сравнительные характеристики отвержденых связующих

 

Параметр	Термореактивные связующие	Термоп-ластические связующие
Поли-эфирные	Эпоксидыне	Феноло-формаль-дегид- ные	Полиимид- ные
Техноло-гичность
Механические свойства
Теплостой-кость,° С	50-80	130-150	140-180	250-320	120- 200
Стоимость
Устойчивость к поврежденям
Прочность

 

-отлично -хорошо -посредственно

 

 

В соответсвии сo свойствами термореактивных связующих, области их применения разграничиваются следующим образом:

Полиэфирные связующие: используются в малоответственных деталях, интерьере, преимущественно со стекловолокном.

Эпоксидные связующие: наилучшие характеристики. Наиболее широко использование (в том числе в высокоответственных и в высоконагруженных элементах конструкции. Основное связующие углеродных волокон.

Фенолоформальдегидные связующие: используются в малоответственных деталях, интерьере, преимущественно со стекловолокном.

Полиимидные связующие используются в конструкциях, работающих в условиях высоких температур.

 

Рис 1.2. Пример использования различных типов КМ в конструкции:

 

 

 

 

Технологические вопросы производства КМ

 

Структурные особенности армирующих компонентов КМ.

 

 

Армирующие компоненты используются в виде тканей, лент, прядей, жгутов и отдельных волокон. Выбор типа заготовки армирующего компанента зависит от технологии производства детали (будет ли это намотка, пропитка, послойная укладка или различные виды формования, ваккумное или автоклавное формирование, формирование из препрегов, намотка и пультрузия)

Лента состоит из множества одонаправленных волокон и может быть использованна для намотки и для послойной укладки. По сравнению с тканями, обладает лучшей сопротивляемостью однонаправленным нагрузкам, лучшими аэродинамическими свойствами поверхности, меньше пориста, обладает большей жесткостью и прочностью и меньшей стоимостью сырья, но большей стоимостью в производстве.

Рекомендуется к использованию в местах, где достоинства превышают повышенную стоимость производства, и где позволяет профиль детали.

 

Ткань

Ткани из высокомодульных органических волокон сохраняют до 90 % их прочности за счет их малой чуствительности к повреждениям, тогда как у стеклоткани в процессе текстильной обработки значительно снижается предел прочности. Компенсировать недостаточно хорошую работу органопластиков на сжатие можно введением стекловолокна в его структуру.

Рис 2.1. Наиболее распространенные виды ткани.

 

Наиболее распространенными являются ткани, ширина которых составляет 40...75 см – узкие, 75...100 см – средней ширины, 100...150 см – широкие, 150...200 см и более – очень широкие. Ткани шириной 0,5...7,5 см и более называют тканными лентами.

Ткани массой до 100 г/м² считают легкими, массой от 100 до 500 г/м² - имеющими среднюю массу, ткани массой свыше 500 г/м² - тяжелыми.

Переплетения:

- полотняное: каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу пересекающихся нитей;

- сатиновое: каждая нить проходит поочередно сверху, а затем снизу пересекающей ее нити;

- саржевое: нити основы и утка проходят поочередно сверху и снизу двух и четырех пересекающих их нитей.

 

Одна из основных технологий производства КМ на основе термпластичных связующих, основанная на использовании армирующих лент, которые укладываются или наматываются чередуясь со слоями связующего, которые при последующем нагреве образуют КМ. Препреги – полуфабрикаты, промежуточной стадии полимеризации, уже с введенными в материал армирующими волокнами. Использование таких полуфабрикатов часто бывает удобным при формировании детали по месту или при последовательной укладке слоев в деталь.

 

Общие конструкторско-технологические вопросы производства изделий из КМ

 

1) Существенное влияние на процесс производства может оказать размер изделия. Изделие, требующее автоклавной обработки, не должно превышать размеры доступных автоклавов. Изделия, получаемые методом укладки, должны вписываться в габариты лентоукладочной машины, тоже самое для намотки:

· Теоретически при помощи ручной укладки возможно производить изделия практически не ограниченных габаритов, однако следует помнить, что и этот процесс может потребовать специальной оснастки.

· Для элементов конструкции большого размера следует рассматривать методы производства, не предусматривающие применения автоклава.

· Предпочтительнее использовать автоматические оборудование для производства изделий большого размера, т.к. ручное производство в таком случае может потребовать много времени и средств.

2) Также существуют ограничения на форму изделия:

· Легче всего придавать форму можно заготовкам типа тканей и лент.

· Следует избегать маленьких радиусов и резких переходов поверхности, т.к. это может привести к появлению зазоров между монослоями в местах сгиба.

· Форма изделия должна обеспечивать доступ вносимому в процессе производства материалу и обеспечивать свободный подход иструмента.

3) Гладкую, более качественную в аэродинамическом смысле поверхность легче всего получить, используя для поверхностного слоя ленты.

 

1) Технологические вопросы: