Классификация гибридных композиционных материалов
Всоответствии с типом распределения компонентов ГКМ обычно подразделяют следующим образом: однородные, характеризующиеся равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему материала; материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распределенные по объему материала; композиты с плоскостной неоднородностью, когда волокна каждого вида образуют чередующиеся слои; макронеоднородные композиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным размером изделия.
Однородные полиармированные материалы получают двумя способами: совместной намоткой мононитей двух видов, например, углеродных и стекловолокон; использованием комплексных нитей, в которых равномерно распределены волокна различных видов. При таком взаимном расположении волокон остаточные напряжения КМ сводятся к минимуму и улучшаются условия перераспределения напряжений в процессе на-гружения материала, однако технология получения таких КМ сложна, в частности получение первичной нити или жгута из различных волокон не всегда возможно, так как технологические процессы изготовления волокон могут принципиально различаться, а собрать готовые разнородные волокна в жгут достаточно трудно.
Для формирования линейно неоднородного полиармиро-ванного КМ используют совместную намотку жгутов различных типов или жгутов из моноволокон, а также многокомпонентного наполнителя — тканей, матов или шпона. Последний способ, несомненно, более технологичен, однако и в этом случае возникают затруднения, связанные с текстильной переработкой хрупких высокомодульных волокон.
|
|
Наиболее технологичными являются композиты с плоскостной и макронеоднородностью, получаемые выкладкой однородных слоев согласно заданной схеме армирования. К недостаткам таких материалов относится наличие в них термических напряжений, возникающих в процессе формования КМ или при изменении температуры его эксплуатации. Эти
напряжения необходимо учитывать при выборе состава, схемы армирования и технологии изготовления деталей.
Следует отметить, что принцип полиармирования помимо возможности регулирования физико-механических свойств композитов позволяет заметно улучшить их технологические свойства. Так, применение СВ в качестве оплеточных в комплексной нити препятствует вытеканию связующего при формировании и способствует уменьшению пористости конечного
продукта.
К наиболее изученному типу ГКМ относятся полиармированные. Одновременно с накоплением экспериментальных данных об упругомеханических свойствах КМ предпринимались попытки теоретически оценить основные характеристики материалов и разработать модели их механического поведения (деформирования и разрушения).
|
|
Характеристиками структуры ГКМ обычно считают направление и взаимное расположение разнородных армирующих волокон (тип и схема армирования), объемное содержание волокон и относительное содержание одного из армирующих компонентов в другом.
Диаграмма растяжения моноармированньгх КМ с высокопрочными высокомодульными волокнами практически линейна вплоть до разрушения. Лишь для органопластиков наблюдается заметное отклонение от линейности при напряжениях, составляющих более 0,6 от предельных. Для ГКМ, в которых совмещены волокна с различным предельным удлинением, вид диаграммы зависит от соотношения компонентов. При возрастании доли низкомодульных волокон на диаграммах появляется излом при деформации, примерно соответствующей предельной для высокомодульных волокон. Далее на кривых может появиться провал, площадка "псевдотекучести" или последовать плавное повышение нагрузки с меньшим эффективным модулем упругости, примерно равным модулю упругости КМ с соответствующим содержанием низкомодульных волокон.
|
|
|
На кривых зависимости прочности и предельной деформации КМ от относительного содержания низкомодульных волокон можно выделить два участка: на первом предельное удлинение гибридного КМ примерно равно предельному удлинению высоко модульных волокон, а прочность ГКМ меньше
8-243
прочности моноармированного КМ с высокомодульными волокнами; на втором участке предельное удлинение КМ резко возрастает до значений, близких к предельному удлинению моноармированного КМ с низкомодульными волокнами, а прочность начинает линейно возрастать, приближаясь к прочности КМ с низкомодульными волокнами.
ГКМ могут быть более надежными, чем моноармирован-ные. Так, для углестеклопластика с увеличением доли стеклянных волокон относительная деформация (прогиб) при ударном растяжении или изгибе возрастает в 3,5 раза, в несколько раз увеличивается время до разрушения, максимальная нагрузка сохраняется на прежнем уровне, а при некоторых схемах армирования даже возрастает.
Еще одной характеристикой надежности КМ является вязкость разрушения (трещиностойкость), которая часто определяется коэффициентом интенсивности напряжений, характеризующим степень возрастания напряжений при приближении к дефектной области в материале, например, к вершине трещины.
|
|
Используя принцип полиармирования, длительную прочность и ползучесть КМ можно регулировать либо введением более высокомодульного армирующего компонента, либо улучшением сопротивления ползучести матрицы армированием ее дисперсными частицами. При этом следует помнить, что их содержание должно быть таким, чтобы предельные деформации матрицы, превышающие предельную деформацию волокон, сохранялись на требуемом уровне.
Основным достоинством волокнистых конструкционных КМ является возможность их работы без снижения несущей способности при значительном количестве накопленных подтверждений, другими словами, — повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин. Вопрос о том, как проявляется это свойство в полиармированных КМ, давно привлекает внимание исследователей. Установлено, что одной из особенностей таких КМ является наличие гибридного или синергетичес-кого эффекта. Результаты экспериментов подтверждают представления о множественном дроблении высокомодульных волокон в процессе нагружения гибридных КМ.
Возможность варьирования свойств гибридных КМ в достаточно широком интервале путем изменения комбинаций армирующих волокон и их соотношения делает эти материалы • весьма перспективными для использования в различных областях промышленности. Такие гибридные композиты более дешевы и обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными КМ. Например, гибридный материал, содержащий 20 % углеродных волокон и 80 % стеклянного волокна, обладает прочностью, равной 75 % от прочности КМ, армированного только углеродными волокнами, а его стоимость составляет 30 % от стоимости обычного углепластика.
Ключевые вопросы
1. Какие главные свойства композитов по сравнению с
традиционными материалами определяют их применение в сле
дующих конструкциях:
а) корпус ракетного двигателя твердого топлива;
б) корпус панели солнечной батареи;
в) удилище;
г) нефтяной трубопровод;
д) горные лыжи;
е) тазобедренный протез;
ж) ферменный отсек;
з) корпус катамарана;
и) корпус планера самолета?
2. Дайте определение и физический смысл понятий "удельная прочность" и "удельная жесткость". Почему эти характеристики являются наиболее важными при разработке конструкций из композитов?
3. Укажите основные недостатки КМ. Какие пути используют конструкторы и технологи для преодоления этих недостатков?
4. В чем заключаются основные различия между углеродными волокнами, полученными из пека, и ПАН-волокнами?
5. Какие типы матрицы и армирующего наполнителя можно предложить для трубопровода из композита, работающего в криогенной топливной системе самолета и почему?
6. В чем состоят основные достоинства термопластичных связующих, используемых в качестве матрицы корпуса топливного бака, изготовленного из КМ?
7. По каким критериям выбирают материал для изготовления бронежилетов?
8. Приведите примеры использования вакуума в производстве заготовок и полуфабрикатов ПКМ и металлокомпозитов.
2. ТЕХНОЛОЩЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В копилку знаний
Прочитав эту главу, читатель узнает:
• об основных этапах создания конструкций из композитов и роли технологии в этом процессе;
• сущность технологических процессов изготовления конструкций из ПКМ;
• преимущества и недостатки каждого технологического процесса и их предельные возможности;
• о способах выбора технологических процессов для изготовления конструкций из ТКМ.
2.1 Понятие о конструкторско-технологическом
решении
Расширение класса конструкционных материалов и совершенствование их свойств является результатом технического прогресса. Материалы, появление которых, как правило, определяется необходимостью повышения эффективности разрабатываемых конструкций, в свою очередь, открывают возможности для реализации принципиально новых конструкторских решений и технологических процессов. Такая взаимообусловленность процессов развития материалов, конструкций и технологий отчетливо проявляется в настоящее время в связи с разработкой и применением КМ.
117
2.1. Понятие о конструкторско-технологическом решении
Для эффективной реализации КМ в конструкциях требуется решение комплекса задач, которые связаны с конструированием изделия, выбором материалов, определением рациональной структуры материала, соответствующей механическим, тепловым, химическим и другим воздействиям, с учетом существующих технологических ограничений.
Использование композитов предоставляет разработчику возможность широкого выбора исходных компонентов материала, структурных схем материалов в конструкции, технологических способов формообразования, геометрии и формы конструкции.
В начале 80-х годов был сформулирован основной принцип создания изделий из КМ, согласно которому вопросы выбора материалов, проектирования конструкции и разработки технологического процесса следует рассматривать как три стороны единой проблемы и не решать их изолированно один от другого. Такой подход потребовал на всех этапах создания изделия более тесного взаимодействия подразделений расчетчиков, конструкторов, материаловедов и технологов. Таким образом, в процесс проектирования оказалось втянуто большое число специалистов различного профиля и квалификации, а сам процесс проектирования превратился в сложную иерархическую систему, работа которой основана на постоянном взаимодействии между специалистами различных подразделений.
В таких условиях обеспечить ускорение процесса проектирования при одновременном улучшении его качества и снижении стоимости можно лишь на основе коренной перестройки самого процесса проектирования.
Процесс проектирования, согласно традиционной схеме, содержит этапы конструирования, проектирования и разработки технологии, а также взаимную увязку конструкторско-тех-нологических решений, направленную в основном на поиск подходящей технологии и в меньшей степени на изменение конструкции.
Отличительной особенностью проектирования конструкций с применением КМ, как отмечалось выше, является тот факт, что на этапе производства одновременно создаются и сам материал, и конструкция. При этом этапы выбора материалов, конструирования, проектирования и разработки технологии изготовления стали различными аспектами единого про-
2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
цесса принятия решений. Отказ от этого принципа приводит, как показывает анализ, к тому, что создание новых конструкций затягивается, опытные образцы не удовлетворяют требованиям, непрерывно в конструкцию и технологию требуется вносить изменения, многие из которых можно было учесть еще на ранних стадиях проектирования, если бы имелась возможность просмотреть и оценить все альтернативные варианты изделий. Практически вся последующая деятельность специалистов после принятия проектного решения направлена на анализ новых решений, что приводит к потере времени и удорожанию изделий. Подобная ситуация не является виной конструктора. Это результат принципиального несоответствия традиционных методов проектирования и сложности современных конструкций.
Конструирование изделий из КМ начинают с анализа его формы, назначения и действующих на него внешних и внутренних воздействий. В зависимости от этого выбирают кон-структорско-технологическое решение. В общем случае КТР представляет собой совокупность конструкционных элементов проектируемого объекта, изготавливаемого из определенных материалов или собираемого из определенных компонентов (деталей, агрегатов и т.п.) и конкретных технологических процессов или операций, обеспечивающих реализацию заданных требований, которые предъявляются к данному объекту (рис. 2.1). Например, применительно к конструкциям ракетно-космической техники выбор КТР для каждого агрегата определяется следующими факторами:
формой изделия — тела вращения, тела сложной формы, включая поверхности двойной кривизны, цилиндрические отсеки малого и большого удлинения, балочные конструкции и др.;
видом и характером внешнего воздействия — открытый космос, внутренние объемы обитаемых отсеков, интенсивность общего силового внешнего нагружения, аэродинамический нагрев, температурно-влажностный режим окружающей среды;
видом и характером внутреннего воздействия - характер приложения местных сосредоточенных сил и влияние вырезов в силовой оболочке, необходимая степень герметичности, допустимый уровень газовыделений, температурно-эрозионное
118
119
2.1. Понятие о конструкторско-технологическом решении
воздействие, требования, предъявляемые к термостатированию, распределению внутренних сил.
Рис.2.1. Структурная схема конструкторско-технологического реше
Форма изделия в основном определяет схему укладки армирующего материала в конструкции и габаритные размеры технологического оборудования, применяемого при изготовлении изделий (размер оправок, полимеризационных печей, станков для механической обработки и др.).
Специфичность внешнего воздействия проявляется в первую очередь для агрегатов, используемых в открытом космосе — это воздействие всей его физической среды, вызванной условиями полета космического аппарата и действующими при
2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
этом знакопеременными температурными полями, если агрегат не подвергается термостатированию и не закрыт экранно-ва-куумной термоизоляций (ЭВТИ). Если агрегат термостатиру-ется и закрыт ЭВТИ,то в этом случае применение полимерных композитов в конструкции агрегата не будет эффективным, поскольку полимерные материалы плохо проводят теплоту, и для перераспределения теплоты внутри агрегата необходимо будет внутреннюю часть агрегата обклеивать алюминиевым листом толщиной не менее 0,8...1 мм. В обитаемых отсеках также ограниченно применяют полимерные материалы. Затруднено использование ПКМ и для агрегатов, в которых необходимо поддерживать внутреннее давление. При этом следует принимать специальные меры, связанные с герметизацией самой структуры материала или внесением в конструкцию внутреннего герметизирующего слоя, что вызывает дополнительные трудности.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1487; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!