книги / Технология производства полимерных композитных материалов и конструкций на их основе

осаждение в изотермических условиях; метод температурного градиента (неизотермический метод); осаждение с перепадом давления; метод пульсации "давление - вакуум".

Первые два метода основные, остальные - их модификации. Рассмотрим эти способы.

I. При осаждении в изотермических условиях волокнистый кар­ кас находится в равномерно обогреваемой камере, через которую пропускается смесь углеводорода и газа-разбавителя (рис.48, о ).

а

Рис.48. Схема установок для осаждения пироутлерода в пористых во­ локнистых структурах изотермическим (я). неизотермическим (^) методами и методом перепада давления ( 6 ): / - индуктивная катуш­ ка или омический нагревательный элемент; 2. - вход газа; 3 - сер­ дечник

При этом равномерное уплотнение конструкции пироуглеродом пред­ ставляет собой проблему, поскольку осаждающийся пироуглерод пере­ крывает каналы, соединяющие более крупные по размеру поры, а на горячей внешней поверхности конструкции наслаивается избыток пи­ роуглерода, препятствующий инфильтрации газа внутрь, что приводит к возникновению градиента плотности по толщине детали. Для дости­ жения достаточной плотности и прочности конструкции приходится проводить несколько циклов инфильтрации.

2. Неизотермическяй метод позволяет сократить длительность процесса осаждения (рис.48,^). В таких установках каркас из углеродного волокна надевается на нагреваемую графитовую оправ­ ку. В нем создается температурный градиент благодаря низкой теп­ лопроводности пористого каркаса. Газ поступает от менее нагре­ той поверхности к более нагретой, и осаждение пироутлерода про­ исходит более равномерно. Этот метод технически трудно осущест­ вим, но он позволяет получать конструкции из УУКМ с меньшей разноплотностью по толщине в сравнении с изотермическим методом.

3. Осаждение пироутлерода с перепадом давления осуществля­ ется в установках, где по толщине конструкция создается гради­ ент давления, способствующий более равномерному уплотнению кар­ каса. Этот метод связан с существенными техническими трудностя­ ми, получаемые результаты плохо воспроизводимы, поэтому широко­ го применения этот метод не нашел.

4. Модификацией изотермического метода осаждения является применение пульсирующих режимов давление - вакуум, где камера осаждения на несколько секуцд заполняется газом до определенно­ го давления, а затем в ней создается разрежение. Такой метод способствует осаждению пироутлерода в глубине пор и более рав­ номерному насыщению конструкции углеродом по сравнению с обыч­ ным изотермическим методом.

3.5. Комбинированный метод: насыщение и пропитка

Одной из важнейших проблем, возникающих при создании круп­ ногабаритных деталей типа моноблока, является получение равно­ плотного УУКМ с высокой эрозионной стойкостью и однородностью свойств, обеспечивающего и равномерный унос массы материала в процессе работы.

Получение высокоплотных крупногабаритных конструкций насы­ щением волокнистых заготовок пироуглеродом затруднено из-за об­ разования замкнутой пористости. Для устранения этого недостатка разработан процесс получения углеродной матрицы, включающий:

насыщение пироуглеродом волокнистого каркаса в среде метана при 1323-1373 К;

графитизация полученной заготовки при 2673-2973 К за 2-4 цикла уплотнения: пропитка пеком под давлением 5-10 МПа при 473-523 К, карбонизация до 923-973 К, графитизация до 2673 - 2973 К;

повторное осаждение пйроуглерода из газовой фазы.

Сущность метода состоит4в следующем. Насыщая заготовку пи­ роуглеродом из газовой фазы, в структуре материала остается значительная пористость, включая закрытые поры. Последующая графитизация увеличивает проницаемое^ композита, что позволя­ ет при последующей пропитке расплавом добиться равномерного уп­ лотнения по всему объему. При графитизация упорядочивается крис­ таллическая структура углеродного материала. В результате про­ исходит раскрытие замкнутой пористости и возникают так называе­ мые транспортные поры, обеспечивающие доступ ямпрегната в глубь заготовки при насыщении пеком.

Графятизацию целесообразно проводить не только после осаж­ дения пироуглерода, но и после каждого цикла "пропитка - карбо­ низация", чтобы термостабялизяровать структуру, удалить летучие и раскрыть пористость материала для последующего уплотнения.

Эксперименты показали, что интенсивное изменение механических свойств наблюдается после 2-3 циклов, а затем они стабилизиру­ ются. Вследствие выделения летучих при пиролизе пека .в припо­ верхностном слое остается некоторая остаточная пористость преи­ мущественно открытого типа. Поэтому заключительной стадией яв­ ляется осаждение на его поверхности пироуглерода из газовой фа­

4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НЕРАЗРУШАЩЕГО КОНТРОЛЯ

4.1. Общая характеристика средств

н е р а а р ушаипего к о н т р о л я

К средствам неразрушапцего контроля (СНК) относят контрольноизмерительную аппаратуру, в которой используют проникающие поля, излучения и вещества для получения информации о качестве исследу­ емых материалов и объектов. В соответствии с ГОСТом неразрушающий контроль подразделяют на 9 видов: магнитный, электрический, вих­ ретоковый, радиоволновый, тепловой, радиационный, акустический и проникающими веществами. Каждый вид неразрушаюшего контроля осу­ ществляют методами, которые классифицируются по следующим при­ знакам:

-характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом;

-первичному информативному параметру;

-способу получения первичной информации.

По видам контролируемых параметров СНК разделяют на приборы-

Характерной особенностью полимерных композитных материалов (ПКМ) - стеклопластиков, боропластиков, углепластиков и др. является существенная неоднородность структуры, обусловленная не­

равномерным распределением наполнителя и связупцего, анизотропи­ ей свойств, существованием специфических для этих материалов де­ фектов. Поэтому выбор наиболее эффективного метода и средств неразрушаицего контроля этих материалов с учетом особенностей их структуры и свойств представляется актуальной задачей. Перенесе­ ние эффективных неразрушающих методов и средств контроля для ме­ таллов на композитные материалы будет неправильным в связи со специфичностью свойств и структуры композитных материалов. Так, для металлов наиболее эффективными являются высокочастотные ультразвуковые, рентгеновские методы.

Однако для ПКМ данные методы не эффективны, так как ультра­ звуковые волны с частотой свыше I МГЦ сложно ввести в контроли­ руемую среду из-за сильного затухания упругих волн и плохого ка­ чества поверхностей. Эти методы значительно ограничивают диапа­ зон контролируемых толщин.

Эффективность тепловых методов при контроле ПКМ снижается вследствие существенной тепловой инерционности данных материалов. Электромагнитные (токовихревые) методы вообще не применимы для пластмасс, так как эти материалы не электропроводные.

Анализ и оценка эффективности указанных видов контроля по­ казали, что при неразрушающем контроле ПКМ наиболее эффектив­ ны импульсный ультразвуковой, микрорадиоволновый и инфракрасный оптический методы. Основные критерии их выбора:

1)высокая чувствительность;

2)безопасность в работе;

3)возможность автоматизации контроля;

4)сравнительная простота методики контроля;

5)обеспечение высокой производительности контроля;

6)высокая информационная способность;

7)возможность использования серийной аппаратуры;

8)сравнительно невысокая стоимость контроля и аппаратуры;

9)возможность использования обслуживающего персонала невы­

сокой квалификации; 10) высокая точность и воспроизводимость результатов конт­

роля.

Выбранные методы позволяют определить непосредственно в из­ делии большое количество различных физических характеристик, ко­

торые могут быть использованы при комплексном контроле механичес­ ких, технологических и структурных характеристик ПКМ.

Таким образом, при комплексном контроле, во-первых, опреде­ ляется оптимальный комплекс физических параметров, по которому определяются прочностные и другие физико-механические характе­ ристики материала и изделий, во-вторых, разрабатывается и осу­ ществляется оптимальный комплекс методов и средств контроля де­ фектов структуры и, в-третьих, дается интегральная оценка рабо­ тоспособности изделия по комплексу параметров, определенных неразрушающими методами.

Используя результаты неразрушавдего контроля, можно управ­ лять технологическим процессом переработки ПКМ в изделии путем устранения причин, вызвавших нарушения структуры и изменчивость свойств материала в изделии.

4.2. Достоинства и недостатки неоазрушаших

методов к о н т р о л я

Достоинства:

-испытания проводятся непосредственно на изделиях, идущих

вэксплуатацию;

-испытания модно проводить на любой детали, предназначен­ ной для применения в рабочих условиях;

-испытания могут быть проведены многими неразрушающими методами;

-возможность повторного и многократного контроля;

-изделия не теряют своих эксплуатационных качеств;

-для проведения испытаний требуется сравнительно неболь­ шое время;

-возможность контроля на различных стадиях изготовления детали, что позволяет снизить дефекты готовых изделий.

Недостатки:

-испытания включают в себя косвенные измерения свойств, не имеющих непосредственного значения при эксплуатации;

-испытания не дают возможности измерения разрушающих на­

грузок;

- обычно перед применением того или иного метода неразрушающего контроля требуются исследования на образцах и готовых изде­

лиях.

Основные причины применения неразрушапцих методов контроля

впромышленности:

-обеспечение прочности изделия;

-снижение стоимости производства;

-предотвращение несчастных случаев.

4.3. Дефекты с т р у к т у р ы композитных материалов в пропессе переработки их в изделия

Композитные материалы по структуре являются гетерогенными неоднородными материалами. Степень неоднородности структуры за­ висит от дефектов исходного сырья, а также от дефектов, образу­ ющихся в процессе переработки материала в изделия и во время эксплуатации изделий.

Дефектами структуры следует считать такие, которые снижа­ ют физико-механические характеристики, установленные соответст­ вующими нормативными документами (ГОСТами, ТУ). Доминирующее влияние на качество изделий оказывают, как правило, дефекты, связанные с несовершенством технологии их изготовления.

При подготовке исходного сырья особое внимание необходимо уделять вопросам контроля качества армирующего материала и свя­ зующего. В армирующем материале могут быть дефекты текстильной переработки, обрывы нитей, избыточная влажность, наличие замасливателя и т.д. В связующем часто наблюдается несоответсвие вязкости требуемым параметрам.

Указанные дефекты исходного сырья становятся источником об­ разования дефектов готового изделия и снижения его физико-меха­ нических показателей.

Пропитку армирующего материала связующим осуществляют в ваннах пропиточных машин, вакуумной пропиткой и ручным способом, т.е. непосредственным нанесением связующего на материал. Основ­ ное требование при этом - поддержание заданной постоянной кон­ центрации и вязкости связующего, а также оптимальное содержание летучих веществ.

Поддержание заданной постоянной вязкости связующего обеспе­ чивается регулированием количества растворителя или изменением температуры пропиточной ванны. Отклонение значений вязкости от нормированных параметров приводит к неравномерной пропятке арми­ рующего материала, существенной неоднородности физико-механичес­ ких свойств, неоправданному расходу связующего и образованию на­ плывов смолы на поверхности и между слоями готового изделия.

Повышенное содержание летучих веществ приводит к образова­ нию раковин, пористости, растрескиванию и другим дефектам. При пониженном содержании летучих веществ может произойти расслоение, недостаточная склейка отдельных слоев ткани в некоторых местах и снижение физико-механических свойств материала изделий.

Содержание летучих веществ определяется типом связующего, концентрацией растворителя, а также режимом сушки. Длительная сушка, повышенные температура и влажность могут привести к ухуд­ шению качества нанесенного на армирующий материал связующего из-за преждевременной полимеризации.

Наиболее ответственная операция при изготовлении изделий типа тел вращения - намотка армирующего материала на оправку. Основные источники образования дефектов в готовом изделии при намотке - нарушения угла намотки и скорости вращения оправки, несоблюдение режима натяжения армирующего материала, неточность согласования стыков полотна армирующего материала, неравномер­ ность уплотнения слоев материала прикатным роликом и неодно­ родность температурного поля по толщине изделия.

Нарушение угла намотки из-за неправильной установки нама­ тывающего устройства и предварительного закрепления конца по­ лотнища на оправке приводит к нарушению степени анизотропии фи­ зико-механических свойств материала изделия. Кроме того, непра­ вильная установка наматывающего устройства, связанная с непараллельностью плоскости полотнища и образующей оправки, может при­ вести к появлению складок в слоях армирующего материала.

Неточность согласования стыков полотна армирующего матери­ ала приводит к образованию участков со значительной неоднород­ ностью структуры материала. В местах нахлеста (слоев) краев полотна повышается уплотнение материала, происходит чрезмерное выдавливание связующего, образуются расслоения, складки и нару­ шается адгезия связующего к армирующему материалу.

Нарушение угловой скорости вращения оправки приводит к не­ равномерному натяжению арматуры с образованием соответствующих дефектов. Неравномерность уплотнения слоев материала прикатным роликом вызывает неоднородное распределение смолы и неполное удаление воздушных и газовых включенийw

Неравномерный нагрев изделия создает в его материале участ­ ки с неоднородностью физико-механических свойств. В участках с недостаточным разогревом наблюдается пониженная адгезия слоев материала. Чрезмерный нагрев вызывает избыточное размягчение свя­ зующего и повышение газообразования, что приводит к увеличению содержания пор после отвервдения ПКМ.

Металлические и неметаллические узлы стыка для соединения изделий из композитных материалов устанавливаются и формируются с использованием клеев. Клей - вязкое вещество - обладает адге­ зией с соединяемыми материалами и достаточной прочностью после отвервдения. Основной тип дефекта клеевого соединения - непроклей - возникает в результате некачественной очистки склеивае­ мых поверхностей или нарушения режима склейки.

Прочность клеевого соединения определяется физико-механи­ ческими свойствами клеевого шва, характером его нагружения и другими факторами. Различают адгезионную и когезионную проч­ ность склеивания. Первая обусловлена силами сцепления на грани­ цах раздела клея с соединяемыми элементами конструкции, вто­ рая - силами сцепления между молекулами клея. Разрушение шва по границе раздела клея с элементом конструкции называют адгезион­ ным, разрушение по самому клею - когезионным. Под прочностью склеивания понимается когезионная прочность.

4.4.Дефекты композитных материалов

иметоды их контроля

Физико-механические свойства композитов зависят не только от технологических режимов формования конструкций, но и от ка­ чества исходных компонентов. Образующиеся дефекты (табл.П) ха­ рактерны для конкретного метода изготовления,связаны с особен­ ностями технологии и структуры армирующего каркаса. Обеспечение своевременного выявления дефектов - одна из наиболее актуальных проблем достижения высокого качества изготавливаемых конструкций.