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.