Исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Шафигуллин, Ленар Нургалеевич

• Шафигуллин, Ленар Нургалеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шафигуллин, Ленар Нургалеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В

МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1 Эпоксидные, полиэфирные и эпоксиполиуретановые полимерные композиционные материалы в машиностроении.

1.2 Методы оптимизации составов полимерных композиционных материалов.

1.3 Композиционные материалы для футеровочных плит и фитингов.

1.4Механическая обработка полимерных композиционных материалов осевыми инструментами.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Исследуемые материалы.

2.2 Приборы и установки, методы исследований.

2.3 Статистическая обработка экспериментальных данных.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МАТРИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ И НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Влияние матричных компонентов на физико-механические и техно логические свойства полимерных композитов.

3.2 Влияние объемного содержания наполнителей на физико-механические и технологические свойства полимерных композитов.

3.3 Влияние агрессивных сред на физико-механические, технологические свойства и качество полимерных композиционных материалов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Топологическая модель дисперсно-наполненных композиционных материалов.

4.2 Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств композиционных материалов.

4.3 Кинетические модели коррозионной стойкости полимерных композиционных материалов.

4.4 Оптимизационная модель расчета технологических параметров механической обработки полимерных композиционных материалов

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

5.1 Автоматизированная система проектирования и создания полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, используемых в машиностроении.

5.2 Практическое применение высокотехнологичных полимерных композиционных материалов в машиностроении.

5.2.1 Футеровочные плиты из полимерных композиционных материалов.

5.2.2 Фитинговые системы из полимерных композиционных материалов

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения»

Технический прогресс вызывает необходимость создания высокотехнологичных полимерных материалов, используемых в машиностроении.

Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих машиностроительных конструкций и изделий, открывают возможности для реализации перспективных конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в производство.

Разработки и исследования отечественных и зарубежных ученых показали большие перспективы получения композиционных материалов на основе модифицированных эпоксидных и полиэфирных смол. Благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств композиционные материалы на основе полимеров нашли широкое применение в машиностроении при производстве защитных покрытий, стеклопластиков, фасонных изделий, футеровочных плит для защиты металлических конструкций от воздействия агрессивных сред и ударных нагрузок, элементов станочной системы (станин, направляющих, подрезцовых пластин и державок токарных резцов), а также для восстановления и усиления конструкций и омоноличивания сборных элементов.

Футеровочные плиты и элементы фитинговых систем из полимерных композиционных материалов в процессе своей эксплуатации испытывают различные внешние нагрузки (статические, динамические, ударные), а также действие агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость, кислые и щелочные среды), снижающих их физико-механические свойства и приводящих к преждевременному выходу из строя готовых изделий.

В процессе изготовления и применения полимерных композиционных материалов возникает необходимость их механической обработки: резки, фрезерования, сверления. Механическую обработку резанием используют для обеспечения повышенной точности геометрических размеров изделий, при их сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно. Во многих случаях детали повышенной точности и высокого качества могут быть получены только механической обработкой - точением, сверлением и фрезерованием.

Применение механической обработки в сочетании с оптимизацией составов полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами отвечает современным требованиям повышения технологичности производства изделий в машиностроении.

С целью повышения эффективности производства и достижения высокого качества изделий из полимерных композиционных материалов необходима разработка моделей, позволяющих оптимизировать их технологические и физико-механические свойства. Решение данной, задачи связано с расчетом параметров физико-механических свойств и оптимизацией технологических показателей механической обработки композиционных материалов.

Отправными положениями для теоретических и экспериментальных исследований послужили работы проблем Н.К. Барамбойма, Ю.В. Барановского, А.Н. Бобрышева, Г.И. Грановского, Д.Е. Жарина, А. Кабаяши, Ю.А. Соколовой, В.И. Соломатова, В.Г. Хозина, Б.П. Штучного, П.И. Ящерицына и других учёных.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- исследование основных физико-механических свойств полимерных композиционных материалов и выявление закономерностей изменения деформационно-прочностных и коррозионных показателей композиционных материалов на различных смолах (эпоксидных, полиэфирных) в зависимости от вида и концентрации однокомпонентных и комплексных модифицирующих добавок, объёмного содержания, вида наполнителей и их дисперсности для производства изделий в машиностроении;

- исследование влияния режимов механической обработки и агрессивных сред на физико-механические и технологические свойства эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов;

- разработка достоверных прогнозных моделей влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства полимерных композитов с последующей реализацией в системе автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов;

- разработка алгоритмов: расчета высокотехнологичных составов композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами, с последующим созданием экспертных подсистем «Расчёт режимов механической обработки полимерных композиционных материалов» и «Прогнозирование и оптимизация физико-механических свойств полимерных композиционных материалов»; разработка высокотехнологичных составов композиционных материалов для производства фасонных изделий (фитинги, уголки и т.п.) и футеровочных плит;

- практическое внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлены закономерности влияния составов (содержание связующих, модифицирующих компонентов и наполнителей) и технологических факторов на физико-механические и коррозионные свойства полимерных композиционных материалов, предназначенных для получения фасонных изделий и футеровочных плит;

- уточнены модели расчета технологических показателей процесса производства изделий для машиностроения из композиционных материалов, учитывающие их эксплуатационные свойства;

- создана методика расчета оптимальных составов полимерных композиционных материалов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам на основе методов многокритериальной оптимизации.

Практическое значение. Установлено влияние технологических параметров обработки на физико-механические свойства, структуру и качество полимерных композиционных материалов. Разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка (полиизоцианата (5 мас.ч) и простого полиэфира (5 мас.ч)) для эпоксидных композитов, позволяющая существенно повысить физико-механические, технологические свойства и качество композиционных материалов, полученных механической обработкой. Получены оптимальные составы изделий из полимерных композиционных материалов (фасонные изделия, футеровочные плиты) с использованием механической обработки. Разработан алгоритм автоматизированной системы оптимизации составов, структуры, свойств полимерных композиционных материалов с высокими физико-механическими и технологическими показателями. Разработана система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами и высоким качеством обработанных поверхностей.

Реализация работы. Результаты исследований нашли свое отражение при изготовлении элементов фитинговых систем из дисперсно-наполненных и волокнистых полимерных композитов в ООО «РенБизнесАвто», а также в ООО «Фарнас - Транссервис» при производстве футеровочных плит и элементов станочной системы в ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр».

Апробация работы. Результаты выполненной работы обсуждались на таких научно-технических конференциях: II Всероссийская конференция «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях» (Новосибирск, 2008 г.); Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2008», (Одесса, 2008 г.); VII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.); VIII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.).

Автор выражает глубокую признательность академику РААСН, д.т.н., профессору Ю.А. Соколовой за ценные консультации при выполнении работы, чл. - кор. РААСН, д.т.н., профессору А.Н. Бобрышеву за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Шафигуллин, Ленар Нургалеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования высокотехнологичных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами для изделий машиностроения, на основе которых разработана методика оптимизации составов полимерных композитов, учитывающая закономерности изменения физико-механических, технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам с последующей компьютерной реализацией.

2. Получены математические и топологические модели, описывающие влияние рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства (динамический модуль упругости, предел прочности при одноосном сжатии, твердость), качество поверхности и структуру композиционных i материалов. Показано, что эти модели соответствуют классическим представлениям разрушения и деформирования композиционных материалов.

3. Разработан состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для высокотехнологичных эпоксидных композиционных материалов, применяемых в машиностроении, состоящей из простого полиэфира и полиизоцианата в соотношениях 1:1. Оптимальное содержание модифицирующей добавки в композите составляет 10 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы, что позволяет существенно повысить физико-механические (Ел на 44%, НВ5р на 33%, А на 67%), технологические свойства (п на 50%, S на 40%) композиционных материалов и качество обработанных изделий из эпоксидного композита (Ra снизилась на 18,7%) по сравнению с матричным композиционным материалом.

4. Установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на эксплуатационные- свойства полимерных наполненных композиционных материалов. Определено,- что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения 5=0,2^-0,4. Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими (Еа = 5,3 ГПа, RCVK = 151,2 МПа, НВбр = у

166,5 МПа, А = 0,297 кДж/м"), технологическими свойствами (п = 1500 об/мин, Sz = 0,20 мм/об, с. = 0,91, mt = 0,79% и др.) и качеством обработанных изделий (R:i = 7-8 мкм). Введение в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие (Ед на 19%), прочностные (7?сж на 8%, HBqp на 7%, А на 15%), технологические (Sz на 42%) свойства и качество обработанных изделий (снижение Ra на 9%).

5. Изучено влияние рецептурно-технологических факторов на технологические параметры обработки. Установлено, что изделия из полиэфирных наполненных композиционных материалов следует обрабатывать при более низких подачах (при фрезеровании - £>=0,1-0,2 мм/об; при сверлении - S=0,1-0,2 мм/об) и более высоких скоростях резания (при фрезеровании - «=1000-1500 об/мин; при сверлении - и=500-1000 об/мин), чем изделия из эпоксидных и эпоксиполиуретановых композитов.

6. Установлено влияние жидких агрессивных сред (водопроводная вода, смазочно-охлаждающая жидкость) на физико-механические свойства композиционных материалов. Образцы, экспонированные в смазочно-охлаждающей жидкости, через 28 суток имеют массопоглощение на 15-30% больше по сравнению с композиционными материалами, помещёнными в воду. Установлено, что модифицированные двухкомпонентной добавкой эпоксидные композиционные материалы имеют массопоглощение на 20-25% меньше и химическую стойкость на 2-5 % больше по сравнению с эпоксидными. Введение в композиционные материалы высокомодульных наполнителей (маршалит, диабаз, цемент) снижает массопоглощение на 2550%, увеличивает коэффициент химической стойкости на 10-15 % и ударную вязкость на 10-40% . Предложено кинетическое уравнение массопоглощения и рассчитаны эмпирические коэффициенты процесса поглощения, для предлагаемых материалов (в воде - Атт =0,804-2,69 %, 7М4*25 суток, т =0-5-2 суток; в СОЖ - Атт =1,18*3,25 %, Г=15*22 суток, т =0*2 суток).

7. Разработан алгоритм расчёта технологических параметров механической обработки композиционных материалов с учётом необходимых физико-механических свойств полимерных композитов.

8. Предложены новые критерии оптимизации режимов механической обработки композиционных материалов, учитывающие экономические и технологические показатели, используемые в методике оптимизации составов полимерных композитов.

9. На основании исследований разработаны рекомендации, направленные на повышение эффективности производства полимерных композиционных материалов в машиностроении. Внедрение предложенных рекомендаций позволило существенно снизить временные (на 20%) и стоимостные (на 15%) затраты на проектирование и производство изделий из полимерных композитов, а также повысить их качество. Результаты работы используются в ООО «РенБизнесАвто» (г. Набережные Челны), ООО «Фарнас - Транссервис» (г. Набережные Челны), ЗАО «Камский завод Автоагрегатцентр» (г. Набережные Челны).

174

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шафигуллин, Ленар Нургалеевич, 2009 год

1. Бобрышев, А.Н. Прочность эпоксидных композитов с дисперсными наполнителями: Автореф. . канд. техн. наук,- М.: 1982. 18 с.

2. Козомазов, В.Н. Структура и свойства высоконаполненных строительных полимерных композитов: Автореф. . доктор, техн. наук. -М.: 1996.-42 с.

3. Бобрышев, А.Н. Прочность эпоксидных композитов с дисперсными наполнителями: Автореф. . доктор, техн. наук. М.: 1996. - 42 с.

4. Синергетика композитных материалов / В.И. Соломатова и др.. -Липецк: НПО "ОРИУС", 1994. 153 с.

5. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. N.Y.: Freemen, 1983. -480 p.

6. Смирнов, Б.М. Фрактальные кластеры // Успехи физических наук. -. 1986. Т.149, № 2. - С.177 - 219.

7. Хакен, Г. Синергетика / Хакен. Г. М.: Мир, 1980. - 404 с.

8. Хакен, Г. Синергетика. Иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах / Хакен Г. М.: Мир, 1985. -419 с.

9. Кардашов, Д.А. Полимерные клеи. Создание и применение / Д.А. Кардашов, А.П. Петрова. М.: Химия,1983. - 256 с.

10. Пакен, A.M. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы / A.M. Пакен. Пер. с англ. Л.: Госхимиздат,1962. - 964 с.

11. Благонравова, А.А. Лаковые эпоксидные смолы / А.А. Благонравова, А.И. Непомнящий. М.: Химия, 1970. - С. 110-155

12. Воробьев, В.А. Технология полимеров: учебное пособие/ В.А. Воробьев. 1-е. изд. - М.: Высшая школа, 1971. - С.284-288

13. Лапицкий, В.А. Физико-механические свойства эпоксидных полимеров и стеклопластиков / В.А. Лапицкий, А.А. Крицук. Киев: Наук. Думка,1986. 96 с.

14. Ли, X. Справочное руководство по эпоксидным смолам / X. Ли., К. Невилл; Пер. с англ. под ред. Н.В. Александрова. М., Энергия, 1973. -415 с.

15. Соколова, Ю.А. Модифицированные эпоксидные клеи и покрытия в ' строительстве / Ю.А. Соколова, Е.М. Готлиб. М.: Стройиздат, 1990. -176 с.

16. Справочник по композитным материалам / Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; под ред. Б.Э. Геллера. Кн.1. М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

17. Справочник по пластическим массам / Под ред. В.М. Катаева. 2-е изд. - М.: Химия, 1978.Т.2. - 568 с.

18. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. 3-е изд. пераб. и доп. - М.: Химия, 1985. - 560 с.

19. Гаврилина, С.А. Лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол / Гаврилина С.А. Черкассы.: НИИ техн.- эконом, информации в хим. Промышленности, 1977. - 32 с.

20. Камон, Т. Отвердители эпоксидных смол / Т. Камон // ВЦП №А 79800. Кобунси како. 1977. - №26. - С. 120-133.

21. Орлова, О.В. Технология лаков и красок: учебник для техникумов / О.В. Орлова, Т.Н. Фомичева. М., Химия, 1990. - С. 101-126.

22. Хувинк, Р. Химия и технология полимеров / Р. Хувинк, А. Ставерман. -М.; Л.: Химия, 1966. 891 с.

23. Чернин, И.З. Эпоксидные полимеры и композиции / И.З. Чернин, Ф.М. Смехов, Ю.В. Жердев. М.: Химия, 1982. - 230 с.

24. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции / Ю.С. Зайцев и др.. -Киев: Наукова думка, 1990. 220 с.

25. Кардашов, Д.А. Эпоксидные клеи / Кардашов Д.А. М.: Химия, 1973. -192 с.26.