5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

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.).

Свойства и применение углепластиковВведение

СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ УГЛ ЕПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН И УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ

Углепластики на основе эпоксидного и полиимидног о связующих с ориентир. нитями, жгутами, лентами

Углерод-углеродные комп озиты с нитями, жгутами

Модуль упругости, ГПа

1 Основные сведения

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).

Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.

Термическая обработка состоит из нескольких этапов:

Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, в искоз ного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.

После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.

Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна.

Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование (к примеру, такое как автоклав).

Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей.Что делает его хрупким и непригодным к дальнейшему использованию.

Наконец, когда приходит время для замены детали, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углепластик же не так лёгок и дешёв в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом.

Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом. Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме (вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.

Контактное формование. На примере изготовление бампера: берется металлический исходный бампер, смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания — снимается — это матрица. Затем ее смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а можно пропитывать или поливом прямо в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация. Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

Процесс получения однонаправленны х профильных изделий методом протяжки (или пултрузии). пропитка связующим пучков волокон; отжим избытка связующего; придание материалу заданного сечения путем протягивания его через фильеру непрерывным или периодическим способом; разрезка профильных изделий на элементы заданной длины. Такой процесс предельно прост, полностью автоматизирован и весьма перспективен для промышленного производства профильных изделий из армированных пластиков. Недостатки: скорость процесса зависит от температуры и скорости отверждения связующего (как правило, невелика); Трудно обеспечить строгое постоянство сечения изделий по длине (кроме простой формой сечения); необходимо использовать для получения изделий только нити или жгуты.

В настоящее время разрабат ываются методы получения трубчатых изде лий, сочетающие намотку спирального слоя и протяжку. Пример лопасти ветряных двигателей, имеющие сложный профиль поперечного сечения. B настоящее время разрабаты ваетс я оборудование для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, имеющих криволинейную поверхность и переменное поперечное сечение.

Инжекционный метод получения изделий из углепластиков. Изделия получают, предварительно помещая в форму армирующий материал и впрыскивая затем в нее связующее. Чаще всего этим методом получают изделия из гибридных пластиков на основе сочетания стекло- и углеродных волокон, реже — из углепластиков.

Термокомпрессионный метод формования. Этот метод называют также формованием полимеров в эластичной оснастке, формованием с термическим расширением и т. д., В качестве материала матрицы используют силиконовый каучук и другие расширяющиеся при нагревании эластомеры, вследствие температурной деформации которых создается давление формования. Давлению вдоль оси балки противостоит опорная пластина; такой метод формования с использованием автоклава может быть рекомендован для получения изделий сложной формы, когда применение обычного вакуумного формования оказывается трудным или неэффективным. Пример — изготовление некоторых деталей стратегических бомбардировщиков В-1

Читать еще:  Ремонт бокового пореза шины в сервисе и самостоятельно

Литье под давлением термопластов, наполненных углеродными волокнами. Этот метод — один из самых эффективных для получения изделий сложной формы. При получении изделий из углепластиков методом литья под давлением необходимо иметь в виду что, по сравнению со стекловолокнами углеродные волокна имеют меньший диаметр, высокий модуль упругости и малое удлинение; поэтому в процессе формования они легко ломаются.

Штампование термопластов, армированных углеродными волокнами. В этом случае полуфабрикатом служат листовые термопластичные материалы, наполненные короткими или длинными волокнами. Изделия из них прессуют в металлической форме при температуре ниже точки плавления полимера. Этот метод аналогичен методу прессования листовых формовочных материалов, однако течение материала при переработке листовых наполненных термопластов существенно меньше. Он также близок к методу прессования между металлическими плитами. Его отличительная особенность — необходимость создания более высоких давлений с использованием разъемной формы, состоящей из позитивной и негативной металлических матриц.

Углепластик (карбон) имеет невероятно широкую сферу применения. Углеродные материалы и изделия из них можно встретить в самых разнообразных отраслях промышленности.

В строительстве, например, углеродные ткани применяются в Системе внешнего армирования. Использован ие углеродной ткани и эпоксидного связующего при ремонте несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий) позволяет проводить реконструкцию в сжатые сроки и со значительно меньшими трудозатратами по сравнению с традиционными способами. При этом, хотя срок ремонта снижается в разы, срок службы конструкции увеличивается также в несколько раз. Несущая способность конструкции не просто восстанавливается, но и увеличивается в несколько раз.

В авиации углеродные материалы используются для создания цельных композитных деталей. Сочетание легкости и прочности получаемых изделий позволяет заменить алюминиевые сплавы углепластиковыми. Композитные детали, при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некоррозийностью.

В атомной промышленности углепласти ки используются при создании энергетических реакторов, где основным требованием к используемым материалам является их стойкость к высоким температурам, высокому давлению и радиационная стойкость. Кроме этого, в атомной отрасли особое внимание отдается общей прочности внешних конструкций, поэтому Система внешнего армирования также имеет обширное применение.

В автомобилестроении ка рбон (или углепластик) используется для производства как отдельных деталей и узлов, так и для автомобильных корпусо в целиком. Высокое отношение прочности к весу позволяет создавать безопасные, и в то же время экономичные автомобили: снижение веса автомобиля за счет углепластиков на 30 % позволяет снизить выброс CO2 в атмосферу на 16% (!), благодаря снижению расхода топлива в несколько раз.

В ракетостроении композ иционны е материалы занимают очень прочные позиции. Высокие нагрузки космических полетов ставят соответствующие требования и материалам, которые используются при производстве деталей и узлов. Углеродные волокна и материалы из них, а также из карбидов работают в условиях высоких температур и давления, при высоких вибрационных нагрузках, низких температурах космического пространства, в вакууме, в условиях радиационного воздействия, а также воздействия микрочастиц и т.п.

В судостроении высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, немагнитность и высокая ударостойкость делают углепластики лучшим материалом для проектирования и создания новых материалов и конструкций из них. Возможность сочетать в одном материале высокую прочность и химическую инертность, а также вибро-, звуко- и радиопоглощение обуславливает выбор именно этого материала для изготовления конструкций наружных корпусов подводных лодок.

Одной из наиболее значимых областей применения углеродных материалов в мировой практике является ветроэнергетика . В нашей стране эта отрасль находится, по сути, в стадии зарождения, в то время как во всем мире ветряки появляются и в незаселенных районах, и в прибрежных зонах, и на морских платформах. Легкость и непревзойденные показатели прочности на изгиб углепластиков позволяют создавать более длинные лопасти, которые, в свою очередь, обладают большей энергопроизводительностью .

В железнодорожной отрас ли углепластики имеют широкое применение. Легкость и прочность материала позволяет облегчить конструкцию железнодорожных вагонов, снизив тем самым общий вес составов, что позволяет в дальнейшем как увеличивать их длину, так и улучшать скоростные характеристики. В то же время углепластики могут использоваться и при строительстве железнодорожного полотна и прокладке железнодорожных проводов: высокие показатели прочности на изгиб позволяют увеличивать длину проводов, сокращая необходимое количество опор и в то же время снижая риск их провисания.

Спортивный инвентарь (роликовые коньки, велосипеды, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжный спорт (лыжи, палки, ботинки), ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты)

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.

Читать еще:  Как снять обшивку водительской двери Форд фокус 2

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.

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.

Читать еще:  Почему опасно включать нейтраль у автоматической КП на светофорах

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.

Свойства и применение углепластиковВведение

Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Авторизация

Статьи

Исследовано влияние климатических факторов и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-35, изготовленного методом пропитки под давлением. Показано, что углепластик ВКУ-35 имеет высокий уровень сохранения свойств при воздействии факторов внешней среды (не менее 75% от исходного значения) и не уступает в этом отношении типовому конструкционному углепластику КМУ-11тр, изготовленному методом автоклавного формования.

Введение

Развитие авиационной техники невозможно без совершенствования и внедрения новых материалов и технологий их производства. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) прочно завоевали место среди конструкционных материалов в авиационной промышлености [1]. Их применение взамен металлических сплавов обеспечивает снижение массы конструкций, повышение ресурса эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления и материалоемкости. Снижение массы авиационных конструкций благодаря применению новых материалов дает возможность снизить потребление топлива, увеличить полезную нагрузку (количество пассажиров и полезного груза) [2–4].

Зарубежные фирмы, такие как Airbus и Boeing, проводят исследования с целью увеличения объема применения углепластиков до 60% массы конструкции летательных аппаратов. В настоящее время фирма Airbus является лидером по объему применения ПКМ. В конструкции самолета А350 они составляют 53% массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы применения углепластиков в элементах конструкции новых изделий: ОАО Компания «Сухой» – в SSJ NG и ОАО «Корпорация „Иркут”» – в МС-21. Решение этой задачи вполне реально с учетом высоких механических свойств углепластиков и современного уровня развития технологий [5].

В настоящее время в России и за рубежом проводятся исследования, направленные на разработку материалов и технологий, позволяющих снизить затраты при изготовлении изделий из ПКМ [6, 7]. Это связано с тем, что для изготовления высоконагруженных авиационных конструкций из ПКМ используют преимущественно метод автоклавного формования. Недостатком автоклавного метода формования изделий является необходимость предварительного изготовления препрегов, что требует дополнительных трудо- и энергозатрат и снижает экологическую безопасность производства. При автоклавном формовании также невозможно изготовить детали с высоким качеством внешней и внутренней поверхности.

За рубежом для изготовления ПКМ широко применяют технологию пропитки под давлением (RTM), которая позволяет изготавливать детали сложной формы за одну технологическую операцию без предварительного изготовления препрега. Детали, изготавливаемые методом RTM, имеют высокую точность по геометрии и толщине и хорошее качество поверхности как с внешней, так и с внутренней стороны. Использование метода пропитки под давлением позволяет автоматизировать производство, улучшить условия труда и повысить качество продукции [8–11].

При изготовлении деталей методом RTM полимерное связующее поступает под давлением в герметичную форму, в которой находится сухой пакет армирующего волокнистого наполнителя (рис. 1). Затем осуществляется отверждение связующего при повышенной температуре, после чего готовая деталь извлекается из формы. Связующие, которые используются для изготовления деталей методом пропитки под давлением, должны отвечать определенным требованиям по уровню вязкости (≤0,5 Па·с) и иметь необходимую для проведения технологического процесса жизнеспособность [12–14].

Рис. 1. Схема изготовления детали из ПКМ методом пропитки под давлением (RTM)

При выборе технологических параметров изготовления деталей методом RTM важно обеспечить равномерное распределение связующего в объеме армирующего наполнителя, исключить возможность образования пустот, пор и непропитанных участков, поскольку любое нарушение монолитности композиционного материала может привести к снижению его работоспособности в условиях воздействия факторов внешней среды в процессе хранения и эксплуатации.

Целью данной работы является исследование стабильности свойств углепластика, полученного методом пропитки под давлением, при воздействии факторов внешней среды (температуры и повышенной влажности) и эксплуатационных жидкостей (топливо, масло).

Материалы и методы

Объектом исследования является изготовленный методом RTM конструкционный углепластик ВКУ-35 на основе равнопрочной углеродной ткани российского производства с поверхностной плотностью 240±40 г/м 2 и модифицированного эпоксидного связующего марки ВСЭ-17. Физико-механические характеристики углепластика ВКУ-35 представлены в табл. 1.

Свойства конструкционного углепластика ВКУ-35,

изготовленного методом пропитки под давлением

Углепластики

Введение

Углепластики (или карбон, карбонопластики, от «carbon», «carbone» — углерод) — полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/куб.м.

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

Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.

1. Основные сведения

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0.005-0.010 мм в диаметре [1] ), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).

Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

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

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.

Температурная обработка состоит из нескольких этапов.

Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.

После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.

Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна.

Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудования (к примеру, такое как автоклав).

Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей.

Наконец, когда приходит время для замены детали, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углепластик же не так лёгок и дешёв в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом. [1]

2. Производство

  • Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом (например, мыло, воск, воск в бензине, Циатим-221, кремнийорганические смазки). Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме(вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.
  • Контактное формование. На примере изготовление бампера: берется металлический исходный бампер(-«болван»), смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания — снимается — это матрица. Затем её смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а можно пропитывать кисточкой или поливом прямо в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация (если отвердитель горячего отверждения, то в печке, если нет, то при комнатной температуре — 20 гр. цельсия). Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

3. Применение

Углепластики используются вместо металлов во многих изделиях — от частей космических кораблей до удочек:

  • ракетно-космическая техника
  • авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение)
  • судостроение (корабли, спортивное судостроение)
  • автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, болиды Формулы 1)
  • наука и исследования
  • усиление железо-бетонных конструкций
  • спортивный инвентарь (роликовые коньки, велосипеды, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжный спорт (лыжи, палки, ботинки), ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты)
  • медицинская техника
  • рыболовные снасти (удилища)
  • бытовая техника (отделка корпусов телефонов, ноутбуков и пр.)
  • моделизм

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector