Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Углеродные волокна





Обладают комплексом ценных, а по ряду показателей уникальных, механических и физико-химических свойств. Углеродным волокнам присущи высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и термического расширения, высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, различные электрофизические свойства (от полупроводников до проводников). Они могут иметь сильноразвитую поверхность (1000...2000 м /г). Углеродные волокна имеют высокие значения удельных механических характеристик. Углеродные волокна делятся на карбонизованные (температура термообработки 1173...2273°К, содержание углерода 80...90%) и графитизированные (температура термообработки до 3273°К, содержание углерода выше 99 %).

Существует два основных типа исходных материалов для углеродных волокон: химические волокна и из нефтяных каменноугольных (углеродных) пеков. Процесс получения углеродных волокон включает текстильную подготовку материала, окисление, высокотемпературную обработку (карбонизацию и графитизацию). В процессе высокотемпературной обработки осуществляется переход от органического к углеродному волокну. Обработка проводится в вакууме или в инертной среде- азоте, гелии, аргоне. Волокна из нефтяных каменноугольных пеков формируют, пропуская расплав пеков при температуре 370...620° К через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформированное волокно вытягивается до степени вытяжки 100000...500000%. При этом достигается высокая ориентация макромолекул волокна. Карбонизация и графитизация пековых волокон производятся аналогично. Структура углеродного волокна показана на рис.4.

 

Рис.4. Структура углеродного волокна: А- поверхностный слой; В- высокоориентированная зона; С- низкоориентированная зона; 1- микрофибриллы; 2- аморфный углерод.

Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов, условно делятся на две группы: высокомодульные и высокопрочные. Получены также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости.

Композиционные материалы на основе углеродных тканей наряду с широким применением их в авиационной технике также эффективно используются в конструкциях космических летательных аппаратов. Это обусловлено тем, что они обладают сравнительно низкой плотностью и значительно лучшими прочностными характеристиками по сравнению с изделиями из стеклопластика.

Благодаря высокой удельной прочности и удельной жесткости композиционные материалы, армированные углеродными волокнами и тканями, широко применяются в качестве одного из основных конструкционных материалов в производстве беспилотных летательных аппаратов. Высокие механические характеристики углеродных волокон позволяют получать высококачественные материалы - углепластики.

Масса ЛА без полезной нагрузки примерно в два раза меньше массы снаряженного самолета, в том числе около 30% приходится на различные конструкции планера. Снижение веса этих конструкций благодаря использованию современных материалов позволяет уменьшить габариты двигателя, размеры оперения и т. д. и приводит к снижению расхода горючего. При проектировании ЛА с применением углепластиков необходимо учитывать, что снижение массы конструкционных материалов всего на 1 кг приводит к снижению общей массы ЛА на 3-7 кг (с двигателем внутреннего сгорания как силовой установкой). Использование композиционных материалов из углепластиков в производстве ЛА позволяет также снизить их общую стоимость и гибко варьировать условия проектирования. При проектировании летательных аппаратов необходимо применять их характеристики, приведенные в ТУ 1916-155-05763346-95.

Характеристики одной из наиболее применяемой в авиастроении углеткани УТ-900 (марка Б) приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

Наименование показателей Требования ТУ марка А Требования ТУ марка Б Результат испытаний
Ширина, мм 900 ± 7 900 ±7
Поверхностная плотность, г/м 240 ± 30   240 ±30 244,9
Плотность на 10 см      
на основе 60 ±2 60 ±2
на утку 60 ±2 60 ±2
Фактическая- влажность %, не более 0,6
Предел прочности при растяжении. ГПа (кг. с/мм) не менее К вар 10 %на основе на утку 0.59(60) 0.59(60) 0.54(55) 0.54(55) 0,55(56,1) 0,57(57,7)
Предел прочности при сжатии. ГПа (кг. с/мм2), не менее ни К вар. 10 % на основе по утку 0.59(60) 0.59(60) 0.54 (55) 0.54(55) 0,74(75,1) 0,60(61,0)
Толщина монослоя углепластика, мм 0.23 ± 0,02 0.23 ± 0,02

 

Данная углеткань наиболее технологична при изготовлении небольших изделий ручным ламинировании с последующей вакуумной формовкой.

Использование углепластиков благодаря их деформационно-прочностным свойствам дает возможность создавать материалы с заданным распределением жесткости и прочности. В настоящее время в мировой практике ведется разработка ЛА нового поколения: вертикального взлета, типа "летающее крыло", с соосными винтами, с крыльями большого удлинения и других типов. Создание таких самолетов с использованием известных металлических материалов весьма затруднительно, альтернативой может служить применение композитных материалов, особенно углепластиков. Преимущество применения композитных материалов в авиастроении состоит также в возможности одностадийного формования крупных элементов конструкций летательных аппаратов. При этом уменьшается количество деталей и сокращаются затраты на сборку, что ведет к снижению стоимости самолетов.

 

6.1.6. Эпоксидная смола ЭД – 20 ГОСТ10587 – 93.

Эпоксидные смолы выпускаются в жидком и твердом состоянии. Они термопластичны, но под влиянием различных отвердителей превращаются в неплавкие полимеры, которые находят широкое применение в промышленности как материал для склейки и изготовления деталей из углепластиков и стеклопластиков. Процесс отверждения этих смол может происходить в широком температурном интервале от нормальной комнатной температуры до 200 град. С и выше. При отверждении смолы не выделяют летучих побочных продуктов и обладают весьма малой усадкой.

Требуемое для изготовления ламината количество смолы можно рассчитать путем взвешивания предполагаемого к использованию армирующего материала. Для стеклопластиков отношение смолы к стекловолокну должно находиться в пределах от 2,3:1 до 1,8:1 (содержание стекла 30-35%). Для тканого ровинга рекомендуется соотношение 1:1 (содержание стекла 50%), тогда как отношение смолы к стекловолокну при использовании комбинированных материалов различно и зависит от структуры отдельного вида используемой ткани.

Отверженные смолы обладают высокой механической прочностью, хорошими электроизолирующими свойствами, высокой адгезией к металлам, стеклу, керамике и другим материалам, довольно высокой химической стойкостью против кислот, щелочей, воды, бензина и других органических растворители (растворяются ацетоном).

Механические свойства отверженной эпоксидной смолы приведены в таблице 3.

Таблица 3

№ п/п   Свойства Отвержденные № п/п   Свойства Отвержденные
ами нами ангидридами аминами ангидридами
        Плотность, г/см   Предел прочности при растяжении, кГ/см2 Предел прочности при статическом изгибе, кГ/см2 Предел прочности при сжатии, кГ/см2 1,19       1,2-1,23             Ударная вязкость, кГм/см2 Водопоглащение за 24 часа при20 0С, % Температура разложения, % Усадка при отверждении, % Теплостойкость, 0С     - -   -   -     0,3     2,3  

 

При холодном отверждении эпоксидной клеевой пасты механические и другие свойства эпоксидных смол снижаются.

Длительное воздействие повышенной температуры на изделие из стеклопластика при полимеризации эпоксидной клеевой пасты снижает прочность сцепления эпоксидных смол с армирующими материалами и металлов.

Для снижения вязкости смолы ее можно нагреть до 50 0С или разбавить ацетоном или органическим растворителем для лаков и денатурированный спиртом. Количество растворителя не должно превышать 5% от массы смолы. Проводя данную операцию необходимо учитывать, что при добавлении в эпоксидную смолу 5% органического растворителя ее прочность падает на 35%, что значительно снижает механические характеристики готового изделия из стеклопластика.

Растворитель также может вызвать усадку смолы и повредить поверхность макета. Многие материалы (например, пенополистирол) хорошо переносят эпоксидную смолу, но не переносят присутствия в ней органических растворителей.

Использование в рецепте эпоксидной клеевой пасты пластификаторов - дибутилфталата и полиэфиров улучшает механические характеристики и пластичность композиции, снижает хрупкость паст и повышает ударную вязкость и прочность на изгиб, и сцепление с армирующим материалом.

Оптимальное количество вводимого пластификатора определяется для каждой изготавливаемой детали практически и не должно превышать 10÷20% от веса смолы.

Наполнители, применяемые в эпоксидной клеевой пасте, увеличивают объем, повышают теплостойкость, механическую прочность, снижают усадку пасты и приближают коэффициент термического расширения пасты к коэффициенту металлов. В качестве наполнителей могут применяться тонкоизмельченные графит, асбест, окись алюминия, слюдяная пыль, алюминиевая пудра, а для повышенной твердости и ударной прочности – кварцевый песок, фарфоровая мука, титановые белила, железный порошок,

Процессом, определяющим основные характеристики изготавливаемого изделия из стеклопластика, является процесс отверждения пасты, который интенсивно происходит в эпоксидных смолах при ведении в них катализаторов (отвердителей). Данный процесс происходит с выделением тепла, и поэтому эпоксидные пасты могут отвердевать и без нагрева.

Самопроизвольное отверждение пасты в помещении с температурой не менее
+15 0С происходит в течение 24÷48 час.

Процесс отверждения пасты можно ускорить подогревом слоя пасты инфракрасными лучами или нагревом изготовленной детали в термошкафу.

В таблице 4 приведены режимы отверждения эпоксидных клеевых паст при применении отвердителя полиэтиленполиамина по данным ЦНИИМФ и ВИАМ.

 

Таблица 4

№ п/п Температура отверждения, 0С Минимальное время отверждения, час. Оптимальное время отверждения, час
8 – 10 2 – 3 1 – 1,5 0,5 70 – 160 20 – 25 4 – 5 3 - 4 1 - 2

 

Применяемые при изготовлении изделий из стеклопластиков отвердители - ангидриды и амины - ускоряют реакцию соединения эпоксидной клеевой пасты с основным армирующим материалом.

Ангидриды применяют при горячем отверждении, а амины - при холодном. Смола, отверженная ангидридами, имеет повышенную механическую прочность, чем аминами. К холодным отвердителям относятся полиэтиленполиамин, гексометилендиамин, а к горячим - малеиновый и фталевый ангидриды.

Отвердители в эпоксидную клеевую пасту вводить в строго определенном количестве с отклонением от нормы не более 2%. Большие отклонение от правильной дозировки отвердителей, особенно аминов, ведет к ухудшению механических характеристик отвержденных паст.

Пасты холодного отверждения (рецепты №1 – №4) и горячего отверждения (рецепты №5 - №6) готовятся по рецептам и в пропорциях, указанным в таблице 5.

Таблица 5.

№ рецепта Состав рецепта % - ое отношение
Для жестких эпоксидных клеевых паст
№1   №2   №3   №4 Эпоксидная смола ЭД – 20 Полиэтиленполиамин Эпоксидная смола ЭД – 20 Малеиновый ангидрид Эпоксидная смола ЭД – 20 Фталевый ангидрид Эпоксидная смола Эд – 20 Метофенилендиамин 93,5 6,5
Для эпоксидных клеевых паст повышенной эластичности
№5     №6 Эпоксидная смола ЭД – 20 Дибутилфтолат Полиэтиленполифтолат Эпоксидная смола ЭД – 20 Трехфенилфосфат Гексаметилендиамин 73,5 6,5 78,5 6,5

 

Эпоксидные клеевые пасты холодного отвердения (отвердители амины) должны применяться для изготовления стеклопластиков, работающихтам, где нет повышенных температур и активных агрессивных сред (ацетон, бензин и органические растворители).

Эпоксидные клеевые пасты горячего отверждения (отвердители ангидриды) должны применяться на изделиях из стеклопластиков с повышенной прочностью и термостойкостью.

 






Дата добавления: 2014-11-12; просмотров: 332. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.098 сек.) русская версия | украинская версия