Влияние состава УУКМ на его структуру и свойства
Содержание углеродного волокна в композите определяет его прочность. Чем выше объемное содержание высокопрочного волокна, тем больше прочность композита. Оптимальные результаты получаются при 60 – 65 % (мас.) волокна. Наибольшее число трещин возникает в объемах композитов с повышенным содержанием связующего. Увеличение содержания волокна до 70 – 75 % (мас.) снижает усадку до десятых долей процента. Это позволяет получить УУКМ с улучшенными механическими характеристиками.
Вид углеродного волокна определяет оптимальную температуру термообработки. УУКМ должны обрабатываться при температурах, не ниже температуры последующей эксплуатации. Для залечивания трещин и увеличения доли углеродного связующего можно провести дополнительное уплотнение. Из рисунка 7 видно, что после пятого цикла привес материала прекращается. Соответственно изменяются и свойства КМУУ (таблице 5) Выделяющийся при карбонизации из пропитки диоксид углерода и вода могут взаимодействовать с поверхностью волокна и снижать его прочность на 10 – 40 %.
| Стадия производства | Прочность при растяжении, МПа | Модуль упругости, ГПа | Плотность, 10-3 кг/м3 | Объем пор, % | Средний радиус пор, нм |
| После первой карбонизации | 201+11 | 68+8 | 1,383 | 25,20 | 1249 |
| После первого цикла пропитка-карбонизация | 249+20 | 87+11 | 1,424 | 16,84 | 1247 |
| После второго цикла | 287+18 | 109+18 | 1,417 | 14,48 | 3070 |
| После третьего цикла | 271+20 | 124+16 | - | - | - |
| После четвертого цикла | 224+18 | 140+10 | - | - | - |
| После пятого цикла | 459+29 | 126+18 | 1,41 | 5,88 | 1248 |
Влияние расположения углеродных волокон в объеме на механические свойства УУКМ
|
|
|
Расположение волокон под углом более 5° к продольной оси укладки УВ приводит к резкому падению прочности. Для предотвращения этого целесообразно расположение волокон под углом в пределах 15 – 20 ° (рисунок 8).[8]
Усталость и сохраняемость
Эти показатели определяются условиями накопления повреждений в коксе связующего или в пироуглероде. У УУКМ после каждого цикла нагрузки – разгрузки происходит накопление дефектов. С повышением плотности материала число и размер дефектов уменьшаются.
Сохраняемость УУКМ снижается после приложения статических и циклических нагрузок величиной более 70 % от предела прочности [9].
Свойства и области применения УУКМ
К числу специальных свойств УУКМ относится низкая пористость, низкий коэффициент термического расширения, сохранение стабильной структуры и свойств, а также размеров изделий при нагревах до 1650 0С и охлаждении, высокие удельные механические свойства, в том числе ударная вязкость при рабочих нагрузках.
|
|
|
|
Таблица 6. Области применения пластиков, армированных углеродным волокном
Перечисленные преимущества УУКМ позволили успешно их применять в качестве тормозных дисков в авиационных тормозах [10], соплах ракетных двигателей, в защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторов турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и т. д.
В последние годы наряду с созданием высокоплотных углерод-углеродных композиционных материалов интенсивно развивается новое направление: разработка низкоплотных УУКМ, армированных дискретными волокнами. Благодаря высокой жаростойкости, жесткости, низкой плотности и теплопроводности по сравнению с традиционными эти материалы хорошо зарекомендовали себя при использовании в качестве высокотемпературной теплоизоляции в электропечах, ядерных реакторах [11] и других энергетических установках. Их применение позволяет в большинстве случаев существенно снизить массу и толщину теплоизоляции, упростить конструкцию и снизить тепловые потери.
|
|
|
Низкоплотные УУКМ используются также при изготовлении тиглей, фильтрующих элементов, подложек для катализаторов, пористых электродов для аккумуляторов, топливных ячеек и т.д. [12].
Известно использование УУКМ структуры 2D для изготовления кромок несущих поверхностей летательных аппаратов, бронирования отсеков танков и судов. Интересной областью применения этих материалов является металлургическая промышленность. Здесь они используются в качестве технологических форм большой износостойкости для производства тонкостенных деталей из титана. УУКМ успешно заменяют крупнозернистый графит при изготовлении пресс-форм в порошковой металлургии, что повышает срок их эксплуатации. В частности, такие формы из УУКМ, предназначенные для получения деталей из кобальта, были признаны более экономичными, несмотря на высокую стоимость, из-за повышения рабочего ресурса формы более чем в 2 раза.
Все шире внедряют УУКМ в конструкцию термического оборудования. Это силовые элементы футеровки высокотемпературных печей, замена графита в электродах дуговых электропечей, а также детали для токоподводящих устройств. В качестве эксперимента проводили работы по обработке деталей поршня двигателя внутреннего сгорания. Однако относительно высокая стоимость УУКМ по сравнению с традиционными материалами сдерживает дальнейшие исследования этой проблемы.
|
|
|
Другой областью применения УУКМ является атомная энергетика. Из этих материалов изготавливают трубы и элементы крепления теплообменников для высокотемпературных атомных реакторов с гелиевым охлаждением.
Абсолютная инертность углерода по отношению к кислотам, щелочам и солевым растворам, а также к органическим растворителям определяет УУКМ как весьма ценный материал для химической аппаратуры и устройств, условия работы которых требуют применения материалов с высокой механической прочностью [13].
Проводятся работы по возможности использования УУКМ при изготовлении имплантантов в травматологии и ортопедии.
Поиски заменителя асбестовых КМ для тормозных автомобильных накладок стимулировали изучение пригодности использования с этой целью УУКМ. Испытаниями изделий на стендах была установлена эффективность УУКМ по показателям трения и износа для применения в тормозных устройствах автомобилей. Аналогичных положительных результатов можно ожидать при использовании этих материалов в токосъемниках электропоездов, троллейбусов и т. д. Несмотря на лучшие фрикционные показатели УУКМ по сравнению с графитоподобными материалами, их эффективное применение будет зависеть от экономических факторов. Перечисленные выше области применения УУКМ приведены в многочисленных публикациях российских и зарубежных авторов.
Углеродная основа УУКМ, особенности структуры и армирования материала, а также существующие технологические способы его получения позволяют широко варьировать свойства УУКМ, что значительно расширяет области его применения в будущем. Характеристики материалов, полученных по типовой технологии, приведены в таблице 7, где представленные в ней значения физических, тепловых и механических характеристик материалов отражают лишь качественную картину поведения УУКМ при нагружении.
Таблица 7. Типичные эксплутационные свойства УУКМ
| Характеристики | Отечественные УУКМ | Зарубежные аналоги | ||||
| А | Б | Sekarb-SOO | Sekarb-SF | Aerolo r-32 | Aerolo r-33 | |
| Тип каркаса | 3D | 4D | 4D | 4D | 3D | 3D |
| Плотность, кг/м3 | 1,91 | 1,91 | 1,87 | 2,00 | 1,93 | 1,85 |
| Прочность при растяжении, МПа | 113,0 | 110,0 | - | 130,0 | 170, | 80,0 |
| Модуль упругости, ГПа | 52,5 | 50,0 | - | 62,0 | - | - |
| Прочность при сжатии, МПа | 145,0 | 140,0 | 95,0 | 115,0 | 130,0 | 100,0 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м*к | 61,0 | 54,0 | 100,0 | 180,0 | 150,0 | 200,0 |
| Диаметр, мм: заготовки стержней | 410 1,2 | - - | 500 1,0…1,8 | - - | 1,6 2700 | 1,2 1950 |
| Температура обработки, 0С | - | - | 3000 | - | 2700 | 1950 |
Провести точный количественный анализ сопоставимости свойств материалов затруднительно, так как каждый разработчик использует различные по свойствам и морфологии волокна, отличные по способам изготовления волокнистые каркасы, разнотипное оборудование и различные технологические схемы организации углеродной матрицы. Этими причинами обусловлен разброс отдельных показателей качества материалов с одинаковой схемой армирования, представляемых разными фирмами.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 982; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!