Разработка и исследование трехмерно-армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат наук Гареев, Артур Радикович

• Гареев, Артур Радикович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Гареев, Артур Радикович

Оглавление

Список основных обозначений Введение

Глава 1. Трехмерно-армированные полимерные композиционные материалы /обзор литературных данных/

1.1 Актуальность применения трехмерно-армированных ПКМ

1.2 Классификация многомерно-армированных полимерных композиционных материалов

1.3 Описание методов получения наполнителей и применение

многомерно-армированных ПКМ

1.3.1 .Иглопробивная технология армирования двухмерных наполнителей

1.3.2.Метод прошивного армирования двухмерных наполнителей с. 16-18

1.3.3. Создание пространственных связей в непрерывно армированных послойных наполнителях за счет введения дискретных волокон или нитевидных кристаллов

1.3.4.Получение трех и п- мерно армированных наполнителей ткачеством

1.3.5.Получение наполнителей плетением

Глава 2. Объекты и методы исследования, оборудование

2.1 .Объекты исследования

2.2.Методы исследования. Оборудование

Глава 3. Теоретическая и опытная отработка процесса инфузии. Определение основных параметров процесса, проницаемости наполнителя, условий инфильтрации связующего в капилляры стержней. Оценка влияния пористости

Глава 4. Исследование взаимодействия матрицы и межфиламентарного связующего. Оценка эффективности применения эпоксидных связующих для изготовления стержней

Глава 5. Исследование механических характеристик ЗБ-армированного углепластика в условиях сжатия. Анализ особенностей разрушения материала с учетом критической длины продольных и трансверсальных

армирующих элементов

Основные результаты и выводы

Список использованных источников

Перечень ссылочных нормативных документов

Приложение А

Приложение Б

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Е, Е])2 -модуль упругости, ГПа;

Е+ (Ер) - модуль упругости при растяжении, ГПа;

Е" (Есж)- модуль упругости при сжатии, ГПа;

Ех - модуль упругости при растяжении по оси х, ГПа;

Ех - модуль упругости при сжатии по оси х, ГПа;

Еу - модуль упругости при растяжении по оси у, ГПа;

Еу - модуль упругости при сжатии по оси у, ГПа;

Еизг- модуль упругости при изгибе, ГПа;

О-модуль упругости при сдвиге, ГПа;

(~*хг~ модуль упругости при сдвиге в плоскости хг, ГПа;

Сху-модуль упругости при сдвиге в плоскости ху, ГПа;

тХ2 - предел прочности при межслойном сдвиге в плоскости хх, МПа;

тср - среднее значение предела прочности при межслойном сдвиге, МПа;

тсдвига_ напряжение сдвига, МПа

и - скорость фильтрации, м/с;

г - линейная плотность армирующих стержней, г/м;

Уа - объемная доля наполнителя, %;

Ь - шаг сборки, м;

ёср- средний диаметр стержня, м;

о, С] г - предел прочности, МПа;

о+ (ар) - предел прочности при растяжении, МПа;

° (°сж) - предел прочности при сжатии, МПа;

Оу - предел прочности при растяжении по оси у, МПа;

а* - предел прочности при растяжении по оси х, МПа;

Оу - предел прочности при сжатии по оси у, МПа;

а~ - предел прочности при сжатии по оси х, МПа;

Т - угол наклона нитей, градус;

с1ср - средний диаметр стержня, мм;

N - число филаментов исходной нити, тыс. шт.; р - плотность, г/см3;

Ь0 - начальная длина стержня в захватной части, м;

Э - расчетная площадь контактной поверхности, м ;

% - ускорение свободного падения, м /с;

К - коэффициент проницаемости, м2;

Кст - коэффициент проницаемости стержня, м ;

АР - перепад давления, Па;

т| - динамическая вязкость связующего, Па*с;

УПОр - доля пористости, %;

УтЫ- - содержание межфиламентарной матрицы, %; Я - средний эквивалентный диаметр капилляров, м; с^ - средний диаметр филаментов ,м

1 - глубина пропитки (инфильтрации), м;

аж- поверхностное натяжение жидкости, Н/м; 0 - краевой угол смачивания; т - продолжительность пропитки, с. ф доля ПВС, %

ф2 - доля углеродной поверхности, %;

0]- краевой угол смачивания на поверхности ПВС, градус;

02 - краевой угол смачивания на углеродной поверхности, градус; ка - коэффициент реализации прочности, %;

£ - деформация, %;

V - коэффициент вариации, %;

Ькр - минимальная эффективная длина, м.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование трехмерно-армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителя»

Введение

Из полимерных композиционных материалов (ПКМ) наиболее изученными и распространенными являются слоистые, в том числе двухмерно-армированные. Данные материалы реализуют высокие упругие и прочностные характеристики в плоскости армирования, но обладают минимальной работоспособностью при поперечном разрыве и межслойном сдвиге [10-12]. Устранение данной особенности требует усиления связи между слоями материала, что может быть достигнуто введением третьего направления армирования. Известными методами введения третьего направления армирования в исходные двухмерные наполнители являются иглопробивной и прошивной.

В настоящее время наибольшее внимание разработчиков уделяется ПКМ на наполнителях, архитектура которых изначально создается как трех-или n-мерная. Данный подход позволяет пространственно варьировать физико-механические свойства материала, в том числе прочность, жесткость, тепло- и электропроводность. Создание данных материалов является приоритетным направлением в технологически развитых странах.

В работах последних лет авторов L. Tong, А.Р. Mouritz, N. Khokar, F.Stig, Р. Tan широко освещены особенности архитектуры многомерно армированных ПКМ, наполнители которых изготовлены методами ткачества, вязания, плетения. Данные высокопроизводительные методы позволяют с применением трех и более нитей получать многомерные оболочки, тонкостенные структуры наполнителей для последующего совмещения с полимерной матрицей в ПКМ. Пространственные связи между нитями образуются за счет их переплетения. Особенность архитектуры таких материалов заключается в наличии периодического искривления армирующих нитей наполнителя.

В работе представлена альтернативная вышеуказанным, не

применявшаяся ранее технология изготовления трехмерно-армированных

углепластиков на основе стержневых армирующих структур.

Технологический прием сборки многомерных структур на основе стержней круглого сечения, получаемых из исходного углеродного волокна методом пултрузии, позволяет варьировать схемы армирования и создает возможность изготовления композиционных материалов с заданными свойствами пространственной анизотропии. Данный прием сохраняет прямолинейность армирующих стержней и эффективен при получении крупногабаритных структур наполнителя.

Спецификой технологии изготовления композитов на основе стержневых армирующих структур является разделение операций пултрузионного формирования микроструктуры углепластика в объеме армирующего стержня и последующее совмещение армирующего каркаса, собранного из стержней, с полимерным составом, образующим матрицу материала. Таким образом, первоначальное смачивание поверхности филаментов, образующих углеродную нить, и вовлечение их в процесс образования границы раздела фаз происходит при контакте с функциональным полимером (далее -межфиламентарная матрица), применяемым при изготовлении стержня.

Опыт работ по изготовлению ПКМ на основе стержневых наполнителей не был представлен в литературе до настоящего времени. По итогам выполнения данной работы создан и проходит отработку в двух сериях опытных изделий трехмерно-армированный углепластик «Грани». Полученный материал обладает высокой удельной прочностью и свойствами квазиизотропии, что позволило с его применением решить задачу облегчения традиционных изделий из сплава алюминия, работающих в условиях объемного динамического сжатия. Работы выполнены в рамках реализации мероприятия Федеральной целевой программы «СМ-2».

Актуальность представленной работы заключается в том, что полученные результаты и разработанные материалы отвечают современным потребностям в пространственно-армированных углепластиках, предназначенных для применения в особо тяжелых условиях эксплуатации изделий, в том числе и оборонного назначения.

В работе представлены материалы исследований и экспериментов, направленных на разработку технологии изготовления углепластиков на основе трехмерных стержневых наполнителей, приведены результаты исследований свойств полученных ЗЭ углепластиков.

Научная новизна.

1. Впервые в Российской Федерации разработан конструкционный многомерно-армированный углепластик с применением в качестве наполнителя сборных стержневых структур.

2. Выполнена оценка проницаемости стержневых структур и капиллярных систем стержней, выбраны оптимальные режимы процесса жидкофазного формирования матрицы композита.

3. Установлена зависимость влияния пористости структуры трехмерно-армированного углепластика на реализацию механических характеристик материала.

4. Разработаны и исследованы различные типы многокомпонентных полимерных матриц трехмерно-армированного углепластика на основе современных отечественных связующих низкой вязкости. Определены физико-механические свойства материала при вариации связующих и структур наполнителя.

5. Исследованы особенности разрушения трехмерно-армированного углепластика, объем и пористость материала современным методом визуализации микроструктуры с применением рентгеновской компьютерной томографии.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Основные параметры стержневых структур наполнителя и режимы технологического процесса жидкофазного формирования полимерной матрицы, обеспечивающие в совокупности стабильные физико-механические характеристики углепластика. Оценка применимости приведенных технологических режимов в случае вариации параметров наполнителя.

2. Параметры, определяющие инфильтрацию связующего в капиллярной системе армирующего стержня. Методы их определения.

3. Оценка влияния пористости на реализацию прочности трехмерно-армированного углепластика.

4. Оценка взаимодействия полимерных компонентов матрицы и межфиламентарной матрицы. Обоснование эффективности замещения водного раствора поливинилового спирта на низковязкие эпоксидные связующие для применения в качестве межфиламентарной матрицы.

5. Особенности работы и разрушения материала в условиях сжатия с учетом критической длины продольных и трансверсальных армирующих элементов. Оптимальная форма и размеры образцов для проведения испытаний материала в условиях сжатия.

Практическая значимость работы:

Результаты работы использованы при производстве 50 изделий из трехмерно-армированного углепластика «Грани», акты внедрения на предприятии от 30.12.2014.

Разработанные методики: «Определение степени капиллярной пропитки образцов графитов и углеродных стержней» МИ 00200851-3622014, «Определение кажущейся вязкости по Брукфильду жидких смол, эмульсий или дисперсий на ротационном вискозиметре Е1соше1ег 2300» МИ 00200851-363-2014 - применяются для контроля исходных компонентов при производстве указанного материала. Цель работы.

Разработка трехмерно-армированных углепластиков на основе

стержневых структур наполнителя. Исследование физико-химических

особенностей совмещения предварительно изготовленных методом

пултрузии армирующих стержней, входящих в состав многомерных структур

наполнителя, с полимерной матрицей. Оценка проницаемости структур

наполнителя, определение параметров технологического процесса

формирования матрицы и физико-механических свойств трехмерно-

армированных углепластиков.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, тезисы 7 докладов, заявка на патент РФ № 2014124851 от 18.06.2014. Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: (1) 8-ая Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», г. Троицк, 2012г; (2) 3-я Всероссийская конференция «Практическая микротомография», г. Санкт-Петербург, 2014г; (3) XI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов", г. Москва, 2014г; (4,5) В 2013 и 2014 годах Всероссийская конференция и школа для молодых учёных и специалистов «Функциональные полимерные и композитные материалы и изделия для промышленности и атомной техники: достижения, проблемы, перспективы применения», Бекасово. (6) Форум «Высокие технологии 21 века. Инновации на пространстве ШОС», г. Москва, 2014г. Личный вклад автора.

Личный вклад автора в настоящую работу состоит в постановке задач, планировании и выполнении работ, выборе методик и выполнении исследований, анализе и обобщении полученных результатов, публикации результатов.

1. Трехмерно-армированные полимерные композиционные материалы /обзор литературных данных/

1.1. Актуальность применения трехмерно-армированных ПКМ.

Возможность неограниченной вариации физико-механических свойств при проектировании полимерных композиционных материалов и высокая удельная прочность получаемых материалов обеспечивает их широкое применение в технике.

По форме армирующего наполнителя различают дисперсные, пленочные, волокнистые, непрерывно и дискретно армированные ПКМ [1, 2, 3].

В соответствии с химическим составом наполнителя наиболее распространенными ПКМ являются [4, 5,6]:

- углепластики;

- стеклопластики;

- органопластики;

- боропластики.

Рассмотренные в работе наполнители состоят из армирующих стержней, изготовленных на основе высокопрочных углеродных волокон (далее - УВ) [7]: Т7008, УКН-М, УКН-5000. Выбор УВ был обусловлен конструктивными требованиями к разрабатываемому трехмерно-армированному материалу.

Непрерывно армированные ПКМ характеризуются высокой степенью реализации прочности наполнителя. Из них традиционными являются двухмерные (слоистые) схемы армирования ПКМ [8], данные материалы способны эффективно работать под нагрузкой в плоскости армирования (рис.1).

Рис. 1. Прочность при растяжении и поперечном отрыве двухмерно-армированного ПКМ.

1400

1240

1240

1200

я С

1000

5

« 800

о

X

т

о

с 600 ег о =1

о.

с

400

200

I в плоскости армирования межслойный

углепластик стеклопластик органопластик

На рисунке отражена характерная для двухмерных ПКМ низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и поперечному отрыву.

В условиях поперечного отрыва и сдвига работоспособность материала определяется только прочностными и упругими характеристиками связующего, что может вызывать расслоение после воздействия ударных нагрузок.

Для устранения данной особенности применяются методы введения третьего направления армирования. Введение трех- и многомерных структур наполнителя способствует повышению ударной вязкости ПКМ, создает возможности проектирования ПКМ с заданной пространственной анизотропией физико-механических свойств.

1.2. Классификация многомерно-армированных полимерных

композиционных материалов.

В соответствии с типом применяемой матрицы разделяют [9]:

• Термореактивные;

• Термопластичные;

• Гибридные.

В зависимости от способа образования пространственных связей в структуре наполнителя разделяют следующие группы материалов [10]:

• Материалы, пространственные связи в которых образуются за счет искривления волокон одного из направлений, образуемые по традиционной системе двух нитей.

• Материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления.

• Материалы, пространственные связи в которых создаются системой п-нитей.

В зависимости от принципа построения структуры разделяют наполнители [11]:

• Усиленные между слоями двухмерные наполнители;

• Трех- и п-мерные наполнители.

В зависимости от метода усиления между слоями исходного двухмерного наполнителя разделяют на:

• Иглопробивные;

• Прошивные.

В качестве еще одного метода упрочнения исходных двухмерных ПКМ в направлении толщины пакета может применяться дополнительное введение в объем наполнителя или матрицы дискретных волокон, или нитевидных кристаллов [2].

В зависимости от способа изготовления трех и n-мерного наполнителя разделяют структуры, получаемые стандартными способами изготовления текстиля [11, 12]:

• Ткачеством;

• Плетеньем;

» Вязанием.

Существует также группа наполнителей, получаемых при ортогональном пересечении трех прямолинейных нитей (метод получения 3D ортогональных нетканых наполнителей англ. «noobed») [13,14]. Данная структура наполнителя является наиболее близкой к рассматриваемым в работе стержневым структурам наполнителя.

К пространственно-армированным ПКМ также могут относить материалы с наполнением дискретными волокнами. Данная группа ПКМ имеет отличные от рассматриваемых непрерывно армированных ПКМ особенности физико-механических свойств и методов формирования. Дискретно наполненные ПКМ на термопластичных матрицах широко представлены в России [16-26].

1.3. Описание методов получения наполнителей и применение многомерно-армированных ПКМ.

1.3.1. Иглопробивная технология армирования двухмерных наполнителей.

Иглопробивная технология для армирования двухмерных наполнителей

(англ. "Z-pinned") запатентована компанией Aztex Corporation и применяется

для повышения ударной вязкости и предотвращения межслойного

расслаивания композита [27-30]. Для армирования двухмерного пакета

(плоскость XY) наполнителя по высоте (по оси Z) применяются короткие

металлические иглы или нити. Технология включает несколько операций, в

том числе введение игл в термопластичную вспомогательную форму,

14

размещение изготовленной формы на поверхности двухмерного

наполнителя, размещение в вакуумном мешке и выдержку в условиях заданной температуры и давления. Наличие вспомогательных операций снижает технологичность данного процесса [12].

Увеличение доли третьего направления указанным методом, в том числе при использовании материалов с более высокой плотностью, приводит к снижению удельной прочности иглопробивных ПКМ и механическому повреждению нитей в слое ХУ.

Зависимости по прочности в плоскости симметрии и по предельной нагрузке при поперечном отрыве от объема межслойного армирования для данной группы ПКМ приведены на рис. 2,3, соответственно.

Рис. 2. Зависимость прочности в плоскости симметрии от доли армирования по оси Ъ [27-30].

700

в 600 н

и о

Ь 500 о

4

\ я 400

5 В

У ^ 300 Е

г

О. 200 С

ч

о

ч юо

4>

а

Доля армирующих элементов по оси Z, %

Рис. 3. Зависимость предельной нагрузки при поперечном отрыве от доли армирования по оси Ъ [12,27-30].

Представленные зависимости отражают снижение прочности в плоскости ХУ и кратное увеличение стойкости к расслаиванию при содержании доли Ъ-арматуры от 1%. Указанные особенности учитываются при проектировании материала, наиболее характерная доля армирования по оси Ъ для данной группы материалов до 5 %.

Композиты, изготовленные по данной технологии, применяются [12]: -в обшивке воздухозаборников на истребителе Р/А-18 БирегНоте!; -для укрепления жестких Т-образных плоскостей в области фланцевых соединений;

-локально для снижения количества заклепок.

1.3.2. Метод прошивного армирования двухмерных наполнителей.

Метод прошивного армирования двухмерных наполнителей применяют

для повышения ударной вязкости и предотвращения межслойного

расслаивания композита, а также для изготовления сложных форм

наполнителя за счет сшивания отдельных послойных пакетов.

16

Преимуществом метода является возможность его локального использования в местах концентрации напряжений, в том числе на периметрах отверстий, длинных кромках изделий [12, 31, 32].

Сравнение упругих свойств и предела прочности при межслойном сдвиге для углепластиков, изготовленных на основе исходного двухмерного (в плоскости ХУ) наполнителя и аналогичного наполнителя с прошивкой слоев приведены в таблице 1.

Табл. 1. Упругие и прочностные свойства углепластика [2].

Структура наполнителя Ех, ГПа вхг, ГПа тХг, МПа

Двухмерная 20 1,8 12

Двухмерная пространственно-сшитая 15 2,5 30

В случае прошитого по толщине наполнителя композит демонстрирует значительное увеличение жесткости и прочности при межслойном сдвиге, при этом уступает в жесткости в плоскости ХУ. Также прошивка позволяет значительно повысить ударную вязкость композита (рис. 4).

Рис.4 Зависимость ударной вязкости прошитых ПКМ от доли и типа нитей, используемых для прошивки [12, 33].

Возможность вариации свойств композита за счет выбора нитей третьего направления, сохранения минимальной массы получаемых материалов, применения прошивки локально (по месту) на готовых структурах двухмерных наполнителей позволили обеспечить широкую применимость прошитых ПКМ в технике.

Данный метод применяется для получения соединений внахлест, в панелях жесткости, в соединениях продольных наборов крыла [34-36]. Метод был применен в центральной части фюзеляжа многоцелевого истребителя Eurofighter и при изготовлении переборок в хвостовой части самолета Airbus А380 [12, 37].

Применение методов иглопробивного и прошивного армирования двухмерных наполнителей позволяет увеличивать ударную вязкость, стойкость материалов к расслаиванию и сопротивление межслойному сдвигу.

Характерная объемная доля межслойной арматуры (Z) при использовании данных методов от 1 до 5%, создаваемые перечисленными методами композиты реализуют максимальные упругие и прочностные характеристики в плоскости укладки слоев (XY). При этом при армировании исходного наполнителя происходит нарушение целостности расположенных в плоскости симметрии нитей.

1.3.3. Создание пространственных связей в непрерывно армированных послойных наполнителях за счет введения дискретных волокон или нитевидных кристаллов.

Создание пространственных связей в непрерывно армированных послойных наполнителях за счет введения дискретных волокон или нитевидных кристаллов выполняется методами [2]:

• введения дискретных волокон в полимерное связующее, образующее матрицу;

• чередования слоев армирующего двухмерного наполнителя, состоящего из непрерывных волокон со слоями дискретных волокон в виде матов;

• вискеризации армирующего наполнителя.

Введение дискретных волокон в матрицу выполняется в объеме до 15 %, при этом технологически сложным является обеспечение фильтрации коротких волокон через непрерывные волокна, диспергирования и ориентации волокон в объеме матрицы. Для эффективной реализации прочности дискретного волокна в композите рекомендуемым является

соотношение длины волокна к его диаметру — > 100 при 1а < 200 мкм,

йа

таким образом, наиболее эффективное упрочнение может достигаться при введении тонких фракций нитевидных кристаллов [2].

Возможность ориентации дискретных волокон в заданном направлении позволяет достигать повышения упругих и прочностных характеристик исходного двухмерного наполнителя в третьем направлении без снижения исходных свойств. Сравнительные данные для случаев исходного ПКМ и ПКМ с введенными дискретными волокнами приведены в таблице 2.

Табл. 2. Характеристики непрерывно армированных ПКМ с применением дискретных упрочняющих волокон и без них [2].

Армирующий наполнитель Содержание углеводородных волокон,% Содержание нитевидных кристаллов, % МПа Оу, МПа ох > МПа Су , МПа МПа МПа Ех, ГПа вхг, ГПа

Углеродный 56 - 1020 14 400 100 30 100 180 3,5

жгут 48,3 9 890 35 520 170 48 180 140 3,6

Углеродная 44 - 650 30 350 77 25 - 120 2,8

лента 36 12 580 74 380 86 38 - 100 3,1

На основании приведенных данных введение дискретной фазы позволяет увеличивать сопротивление материала при межслойном сдвиге, в то же время повышая прочность при сжатии в плоскости (ХУ). При этом обеспечение заданной ориентации дискретных волокон в среде полимерной матрицы и условиях механического взаимодействия с непрерывной фазой волокон является технологически сложной задачей.

Вискеризация армирующего наполнителя выполняется следующими методами [2]:

- выращивания нитевидных кристаллов на поверхности волокон из газовой фазы;

- осаждением дискретных волокон и нитевидных кристаллов на поверхность волокон и тканей из аэрозолей и суспензий, в том числе в электрическом поле.

Описанные методы не нашли широко практического применения по причине технологически сложной реализации, в том числе необходимости проведения высокотемпературных процессов на синтетических волокнах и энергетически затратных переделов диспергирования.

1.3.4. Получение трех и п- мерно армированных наполнителей ткачеством.

Применение систем двух, трех нитей позволяют получать ткачеством структуры наполнителей с направленными механическими, теплофизическими свойствами и вариацией объемных долей армирующих волокон в избранных направлениях. Особенностью данных структур является наличие периодического искривления одного или нескольких направлений армирующих нитей. Свойства получаемых материалов определяются степенью их искривления (углом наклона у).

Наиболее распространенные и получившие применение в материалах виды архитектуры наполнителей для систем двух и трех нитей приведены на рисунках 5,6.

а). Соединение лежащих рядом слоев; б). Соединение через слой;

в). Соединение слоев с переменной плотностью по высоте;

г). Соединение с усилением по утку; у - угол наклона нитей.

Рис.6 Структуры наполнителя, образуемые системой трех нитей [10].

а). Архитектура наполнителя с заданной степенью искривления волокон в двух направлениях, б).Наполнитель, получаемый системой трех

ортогональных нитей.

Вариация физико-механических свойств трехмерно-армированных ПКМ от изменения у для наполнителей, образованных системой двух нитей, приведена в таблице 3.

Табл. 3. Вариация свойства трехмерно-армированных ПКМ, полученных по

системе 2 нитей [2].

Параметр, МПа Характеристика композита

у=10°,Уа=65% у = 19°,Уа=55% у = 32°,Уа=55%

Ех * Ю-3 32,5 25,0 13,0

Еу * Ю-3 23,8 19,4 19,8

сХ2 * кг3 2,6 2,9 33,4

* Ю-3 11,5 - 40,5

стх+ 440 370 189

290 260 120

390 350 340

350 330 270

1хг 42 50 63

Увеличение угла наклона у в структурах наполнителя способствует снижению прочности и упругости композита в плоскости ХУ, одновременно повышая сопротивление сдвигу в плоскостях XX, УЪ.

На основе наполнителей, получаемых системой двух и трех нитей с применением исходных кремнеземных, кварцевых, стекло- и углеродных волокон, известны следующие марки отечественных материалов: С-1-59; С-Н-63; С-Ш-45 кв; С-Ш-39 кр; С-Ш-39, 3 кр; С-1У-40 [10].

Из отечественных материалов, близких по структуре к разработанному углепластику, являются материалы, получаемые на основе наполнителей:

-образованных системой трех нитей с заданной степенью искривления волокон в двух направлениях (рис. 6,а);

-получаемых при ортогональном пересечении трех прямолинейных нитей (рис. 6,6).

В таблице 4 (пункт 1) приведены упругие и прочностные характеристики в плоскости ХУ углепластика, армированного системой трех нитей с заданной степенью искривления волокон в двух направлениях (рис. 6,а). В таблице 4 (пункт 2) представлены аналогичные значения для ПКМ на основе трех нитей, ортогонально пересекающихся в направлениях Х,У,Ъ (рис. 6,6).

Табл. 4. Свойства ПКМ на наполнителях, образованных системой трех

нитей, фенольная матрица [10].

№ п.п Модуль упругости, ГПа

Е+ Су Е~х Б- /г изг

1 16,1 17,7 14,4 17,6 14,5

2 24,0 23,8 19,9 23,3 20,3

Схема армирования (рис. 6,а) имеет равновесную структуру

распределения нитей по осям симметрии, большая жесткость структуры

(рис. 6,6) обусловлена преимущественной долей армирования в плоскости

ХУ. Аналогичное, с рассмотренной равновесной структурой (рис. 6,а),

соотношение при распределении арматуры по трем осям имеют

23

рассматриваемые в работе стержневые наполнители. Отличие выражается в наличии искривления нитей по осям ХУ и в типе матрицы.

Рассмотренная структура (рис. 6,6) является преимущественно армированной в направлениях ХУ, доля армирования в соответствующих осях симметрии превышает аналогичную для стержневой равновесной структуры.

Прочностные свойства приведенных материалов ниже аналогичных для разработанного углепластика, в то же время сравнение с ними не является корректным в силу различного типа матрицы и исходных углеродных волокон.

При рассмотрении зарубежного опыта были получены сведения по материалу с равновесным армированием тремя нитями в ортогональных осях, обладающему максимально приближенными по значениям прочностными характеристиками. Значения предела прочности и модуля упругости данного материала в плоскости составляют Е = 40.97 ГПа, а = 483.7 МПа [12, 38-41]. Схематическое изображение процесса изготовления данного типа наполнителей приведено на рис. 7.

Рис. 7. Метод изготовления наполнителя на основе трех нитей, ортогонально

пересекающихся в направлениях Х,У,2 [42].

?

На рисунке схематично изображена подача 3 нитей и последующее переплетение образуемых слоев по периметру.

Многомерно армированные композиты с наполнителями, полученными ткачеством, широко применяются в изделиях аэрокосмического назначения (рис.8.) в том числе [43,44]:

-Газотурбинных двигателях (роторы, лопасти, изоляция);

-Узлах усиления и теплообменниках;

-Конусах и насадках;

-Узлах крепления двигателей;

-Соединительных Т-узлах элементов фюзеляжа;

-Ребрах жесткости;

-Т- и Х-образных элементах заполнения объема; -Разъемах на крыле;

В медицине данный вид наполнителей используется при производстве протезов [45].

Рис. 8. Наполнители, получаемые на основе систем 2, 3 нитей.

а)

б)

в)

т, *

. 5-л

Ш: \

•■' /». I

Ш

а) Крыльчатка; б) Цилиндр и фланец; в) Ячеистая структура.

ТесИтшеауе 1пс. [12]

1.3.5. Получение наполнителей плетением.

Метод плетения при изготовлении многомерно армированных наполнителей позволяет достигать высокой степени прилегания нитей друг к другу, обеспечивает точное позиционирование волокон при их совместном кручении. Применение данного метода позволяет изготавливать оболочки различной геометрии сечения из п количества нитей, производить изменение порядка переплетения в ходе процесса изготовления для задания различной архитектуры и плотности пространственных связей в различных участках наполнителя, в том числе без прерывания процесса изготовления получать отверстия и группировать нити в отдельные ленты. Схема получения оболочек методом плетения и выполнения процесса представлены на рисунке 9 [12].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гареев, Артур Радикович, 2015 год

Список использованных источников

1. С.В.Власов. Основы технологии переработки пластмасс. / С.В.Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. - М.:Химия, 2004. 600 с.

2. Г.М.Гуняев. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. / Г.М.Гуняев. - Изд. Химия, 1981. - 230 с.

3. Вшивков С. А. Учебно-методический комплекс дисциплины "Технология получения композиционных полимерных наноматериалов"[Электронный ресурс] / С. А. Вшивков, И. С. Тюкова— Электрон, дан. — Екатеринбург : [б. и.], 2011. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/519521/, свободный.

4. Ю.С. Елисеев. Неметаллические композиционные материалы в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей: Учеб. пособие для вузов. / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. -368 с.

5. Передовые технологии производства / Под ред. C.B.Резника - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 295с.

6. Ю.М.Тарнопольский. Методы статических испытаний армированных пластиков / Ю.М.Тарнопольский, Т.Я.Кинцис. - Изд. Химия, 1981. - 270 С.

7. Э.Фитцер. Углеродные волокна и углекомпозиты / Э.Фитцер, Р.Дифендорф, И.Калнин и др. - М.: Мир, 1988. - 336с.

8. Справочник по композиционным материалам: в 2-х т. / Под. Ред Дж.Любина - М.: Машиностроение, 1988.

Т.1 / Под. Ред Дж.Любина - М.: Машиностроение, 1988. -448с. Т.2 / Под. Ред Дж.Любина - М.: Машиностроение, 1988. - 580с.

9. C.Y. Niu. Composite airframe structure: practical design information and data. - Conmilit press ltd., 1992.

10. Ю.М.Торнопольский Пространственно- армированные

102

композиционные материалы. / Ю.М.Торнопольский, И.Г.Жигун, В.А. Поляков. - М.: Машиностроение, 1987. -224с.

11. F.Stig. 3D-woven Reinforcement in Composites. / Fredrik Stig // Doctoral Thesis. Stockholm, Sweden, 2012.

12. L.Tong. 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. / L.Tong, A.P.Mouritz, M.K.Bannister. // Oxford: Elsevier Science Ltd, 2002. - 241 c.

13. N.Khokar. 3D fabric-forming processes: Distinguishing between 2D-weaving, 3D-weaving and an unspecified non-interlacing process. / N.Khokar. // Journal of the Textile Institute, 1996. - No. 87, Part 1. -

P. 97-106.

14. N.Khokar. 3D-weaving: Theory and practice. / N.Khokar // Journal of the Textile institute, 2001. - No. 92(1). - P. 193-207.

15. Б.Д. Сумм. Физико-химические основы смачивания и растекания. / Б.Д.Сумм, Ю.В.Горюнов. - М.: Химия, 1976.-232 с.

16. Разрушение стеклянных волокон при литье наполненных термопластов. / М. Тёрне, Г. В. Сагалаев, П. Р. Бельник. // Пластические массы, 1976. -№11,-С. 39-41.

17. В. Н. Тюкаев. Полимерные композиционные материалы на основе полиимидного связующего ТП-80. / В. Н. Тюкаев, Б. В. Ёрж, В. В. Юнников, О. В. Михана и др. // Пластические массы, 1990. - №12,- С. 18-20

18. С. В. Белкин. Система автоматизированного проектирования композиционных материалов. / С. В. Белкин. // Пластические массы, 1990. -№12,-С. 20-24.

19. В. В. Гузеев. Влияние технологических режимов переработки на структуру наполненных пластикатов / В. В. Гузеев, М. Н. Рафиков, А. Г. Булучевский. // Пластические массы, 1976. - №11.- С. 32-34.

20. В.Н.Кириллов. Исследования влияния тепло-влажностных воздействий на свойства эпоксидных стекловолокнитов. / В.Н.Кириллов, Н.С.Кавун, В.П.Ракитина и др. // Пластические массы, 2008. - № 9. - С. 14-17.

21. С.А.Гулиев. Высокопрочные композиции на основе вторичных полиэтилена и полиамида. / С.А.Гулиев, Н.Я.Ищенко, Р.З.Шахназарли,

A.М.Гулиев. // Пластические массы, 2008. - № 9. - С. 42-43.

22. В. В. Кузнецов. Расчет некоторых физико-механических характеристик наполненных полимеров / В. В. Кузнецов // Пластические массы, 1982. - №4. - С.37-39.

23. Г. С. Головкин. Специфика регулирования механических свойств армированных термопластов. /ГС. Головкин // Пластические массы,2008. -№12. -С. 3-9.

24. И.Д. Симонов-Емельянов. Структура литьевых дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов и моделирование процесса литья под давлением. / И.Д. Симонов-Емельянов, О.Б.Ушакова,

B.А.Лебедев и др. // Пластические массы,2010. - №12. - С. 4-6.

25. Т. И. Хорошилова. Исследование свойств полиэфирного углепластика . / Т. И. Хорошилова, Н. Н. Воронцова, Т. В. Демьянова. // Пластические массы,1992. - №2. - С. 24-25.

26. В. М. Шорохов. Термопласты, армированные непрерывным стекловолокном. / В. М. Шорохов, О. А. Новикова, Ю. С. Липатов, Л. И. Безрук. // Пластические массы, 1981. - №6. - С.29-31.

27. G.Freitas. Joining aluminium materials using ultrasonic impactors. / G.Freitas M. Dubberly. // Metals, 1997 May, P.31.

28. G.Freitas., Z-Fiber technology and products for enhancing composite design. / G.Freitas, T. Frusco, T. Campbell, J. Harris, S. Rosenberg. // Proc. of the 83" Meeting of the AGARD SMP on "BoltedKionded Joints in Polymeric Composites", Sep. 2-3, 1996.-P. 171 - 178.

29. G.Freitas, C. Magee, P. Dardzinski, T. Fusco, Fiber insertion process for improved damage tolerance in aircraft laminates, J. Advanced Materials, 1994. -No.25. - P.36-43.

30. G. Freitas. Service tough composite structures using z-fiber process./ G. Freitas, C. Magee, J. Boyce, R. Bott. //Proc. 9" DoD/NASA/FAA Conf. Fibrous Comp, Nov. 1991.

31. A.P. Mouritz Flexural properties of stitched GFW laminates. / A.P. Mouritz . // Composites Part A, 1996. - No.27. - P.525.

32. A. P. Mouritz. Ballistic impact and explosive blast resistance of stitched composites. / A. P. Mouritz. // Composites Part B-engineering, 2001. -Vol. 32, No. 5. - P. 431-439.

33. Roberta Massabo. Characterizing Mode II Delamination Cracks in Stitched Composites. / Roberta Massabo, Daniel R. Mumm. // International Journal of Fracture. - 1998. - Vol. 92, No. 1. - P. 1-38.

34. D. Liu. Delamination Resistance in Stitched and Unstitched Composite Plates Subjected to Impact Loading ./ D. Liu. // Journal of Reinforced Plastics and Composites. - 1990. - Vol. 9, No. 1. - P. 59-69.

35. J. W. Sawyer. Effect of stitching on the strength of bonded composite single lap joints. / J. W. Sawyer// AIAA journal, 1985. - Vol. 23, No. 11. -

P. 1744-1748.

36.Holt H.B. Future composite aircraft structures may be sewn together. / Holt H.B. //Auto. Eng., 1992, July.

37. Bauer J.,, Cost improvement by changing the technology, Proc. of the 1st Stade Composite Colloquium, 7-8 September 2000. - P.305-3 18.

38. P. Tan. Micro-mechanics models for mechanical and thermo-mechanical properties of 3D angle interlock woven composites. / P. Tan, L. Tong, G.P. Steven. // Composites, 1999. - No.30A. - P.637-648

39. P.Tan. Behaviour of 3D orthogonal woven CFRP composites. I: Experimental investigation. / P.Tan, L. Tong, G.P. Steven and T. Ishikawa. // Composites, 2000. -No.31A. - P.259-271.

40. P.Tan. Behaviour of 3D orthogonal woven CFRP composites. 11: Theoretical and FEA modeling. / P.Tan, L. Tong, G.P. Steven. // Composites, 2000. - No.31A. -P. 273-281.

41. P.Tan. Mechanical behaviour for 3-D orthogonal woven E-glass/epoxy composites. / P.Tan, L. Tong, G.P. Steven. // Journal Rein. Plastics & Comp, 2001. -No.20.-P. 274-303.

42. Three-dimensional fabric and method and construction for the production thereof: US Patent No. 3,834,424,. / Fukuta K., Y. Nagatsuka, S. Tsuburaya, R. Miyashita, J. Sekiguti, E. Aoki, M. Sasahara; 10 Sep. 1974.

43. Kandero S.W. France, Russia to join in scramjet flight tests. / Kandero S.W //Aviation Week & Space Technology, 26 March 2001. - P.60-62.

44. A. P. Mouritz. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites / A. P. Mouritz, M. K. Bannister, P. J. Falzon, К. H. Leong // Composites Part A-applied Science and Manufacturing, 1999. - Vol. 30, No. 12. -P. 1445-1461.

45. L. Limmer. The potential of 3-D woven composites exemplified in a composite component for a lower-leg prosthesis. / L. Limmer, G. Weissenbach, D. Brown, R. Mcllhagger. // Composites Part A- Plied Science and Manufacturing. - 1996. -Vol. 27, No. 4. - P. 271-277.

46. Dexter H.B. Innovative textile reinforced composite materials for aircraft structures. / Dexter H.B. // Proc. of the 28th Int. SAMPE Technical Conf., 4-7 Nov. 1996.-P. 404-416.

47. B. Wulfhorst. / New developments and applications of textile reinforcements for composite materials. // Proc. of the 4th Japan Int. SAMPE Symposium, 25-28 Sept. 1995. - P.673-678.

48. Complex shaped braided structures: US Patent No. 4,719,837. / McConnell, R. P. Popper; January 19, 1988.

49. Ю.Г.Фролов. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. / Ю.Г.Фролов - М.: Химия, 1989. - С. 25-29, 45-52, 184188.

50. Д. А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии. / Д. А. Фридрихсберг -СПб: Химия, 1995. - С.55-59, 79-98.

51. С. С. Воютский. Курс коллоидной химии. / С. С. Воютский. - М.: Химия,

1976. -С.114-132.

52. А. Д. Зимон. Коллоидная химия. / А. Д. Зимон, Н. Ф. Лещенко. - М.: Химия, 1995. - С. 29-36, 79-93.

53. С. Н. Карбаинова. Поверхностные явления и дисперсные системы. / С. Н. Карбаинова, Н. П. Пикула, JI. С. Анисимова и др. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. -С. 17-27, 51-56.

54. Е.В.Михеева. Определение поверхностного натяжения, расчет молекулярных характеристик исследуемого ПАВ. Исследование мицелл ообразования в растворах коллоидных ПАВ. / Е.В.Михеева, Л.С.Анисимова . - Томск: Издательство ТПУ, 2009. - 5 с.

55. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. Д.М.Карпиноса -Киев: Изд-во «Наукова думка», 1985. - 592с.

56. W.D.Bascom . The surface properties of carbon fibers and their adhesion to organic polymers / W.D.Bascom , L.T. Drzal // NASA Contractor Report 4084, 1987.-91c.

57. Ю.М.Тарнопольский. Методы статических испытаний армированных пластиков / Ю.М.Тарнопольский, Т.Я.Кинцис. - Изд. Химия, 1981. - 270 С.

58. В.А. Латишенко. Диагностика жесткости и прочности материалов. / В.А. Латишенко. - Рига: Знание, 1968. - 320 с.

59. И. Г. Жигун. Особенности испытаний на сжатие композитов. / И. Г. Жигун, В.А. Поляков, В. В. Михайлов // Механика полимеров, 1979. - №6. -С. 1111-1118.

60. Феодосьев В.И. Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов. / Феодосьев В.И. - М.: Наука, 1969. - 176 с.

61. С.С. Chiao. Measurement of Shear Properties of Tibre Composites. Part 1 Evaluation of Test Methods. / C.C. Chiao, R.L. Moore, T.T. Chiao. // Composites,

1977. - Vol. 8. - No.3. - P.161-169.

62. 16th International conference composite materials «Architectural effect on mechanical properties of 3D carbon/PPS composites». / Joon-Hyung

107

Byun, Yeun-Ho Yu, Kyeong-SikMin, Jin-Woo Yi, Moon-Kwang Um // Korea Institute of Machinery & Materials.

63. A.Tamayol. Analytical determination of viscous permeability of fibrous porous media. / A.Tamayol, M. Bahrami / /International journal of Heat and Mass Transfer, 2009. - No.52. - P. 2407-2414.

64. O.P. Bergelin. Heat transfer and fluid friction during viscous flow across banks of tubes: III - a study of tube spacing and tube size. / O.P. Bergelin, G.A. Brown, H.L. Hull, F.W. Sullivan.//ASME Trans., 1950.-No.72. - P.881-888.

65. A.A. Kirsch. Studies on fibrous aerosol filters - II. Pressure drops in systems of parallel cylinders. / A.A. Kirsch, N.A. Fuchs. // Ann. Occup. Hyg., 1967. -No.10. - P.23-30.

66. T.A.K. Sadiq. Experimental investigation of transverse flow through aligned cylinders. / T.A.K. Sadiq, S.G. Advani, R.S. Parnas // Int. J. Multiphase Flow., 1995-21 (5). - P.755-774.

67. B. Khomami. Stability of viscoelastic flow around periodic arrays of cylinders. / B. Khomami, L.D. Moreno. // Rheol. Acta, 1997. - 36 (4). - P.367-383.

68. W.H. Zhong. Creeping flow through a model fibrous porous medium. / W.H. Zhong, I.G. Currie, D.F. James//Exp. Fluids, 2006. -No.40. - P. 119-126.

69. Инфракрасные спектры поглощения полимеров и вспомогательных. / Под ред. В.М. Чулановского. - «Химия» Ленинградское отделение, 1969 -356 с.

70. Краузе С. Полимерные смеси. / Под ред. Д. Пола, С. Ньюмена. - М.: Мир, 1981 - Т. 1.-552 с.

71. М.Л. Кербер. Полимерные композиционные материалы. / М.Л.Кербер, Г.С.Головкин, Ю.А.Горбаткина и др. - Спб.: изд. «Профессия», 2008.- 460 с.

72. В.И.Костиков. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. / В.И.Костиков, А.И.Варенков. - М.: Интермет инжиниринг, 2003. - 560 с.

73. Г.А.Аксельруд. Введение в капиллярно-химическую технологию. / Г.А.Аксельруд, Н.А.Альтшулер. - М.: Химия, 1983. - 264 с.

74. В.П.Емотин. Высокотемпературные материалы. Часть 2. // В.П.Емотин, В.И.Костиков. -М.: Металлургия, 1973. -464 с.

75. Stuart R. Stock. Mikrocomputed Tomography: Methodology and Applications. / Stuart R. Stock. - CRC Press, 2009. - 365 pp.

76. J. Banharta. Advanced tomography methods in materials research and engineering. / J. Banharta. - Oxford university press, 2008. - 459 pp.

77. S. Robin.X-Ray Tomography to Determine Seal Integrity of Filled Capsules Sealed on Capsugel LEMS®70 and CFS 1200TM Equipments. / S. Robin, H. Buydts, S.Vanquickenborne, D. Cade. // Annual Meeting and Exposition of the American Association of Pharmaceutical Scientists, November 8-12, 2009.

78. L. C. Marques. Application of the X-ray microtomography for the Visualization of Fluid Multi-phasic in Glass Beads Samples. / L. C. Marques, C. R. Appoloni, R. Nagata, C. P. Fernandes.// Brazilian Workshop on Nuclear Physics, Foz de Igua9u, Parana state, Brasil, 5-10 June 2011. - XXXIV edition.

79. I.G. Watson. Simulation of the Mechanical Properties of an Aluminum Matrix Composite using X-ray Microtomography. / I.G. Watson, P.D. Lee, R.J. Dashwood, P. Young. // Metallurgical and materials transaction A, March 2006. -Vol. 37A.-P. 551.

80. Шиммель, Г. Методика электронной микроскопии // пер. с нем. A.M. Розенфельд, М.Н. Спасский. - М.: Мир, 1969. - 300 с.

81. Э.В.Суворов Физические основы современных методов исследования реальной структуры кристаллов. / Э.В.Суворов. - Черноголовка, 1999. - 231 с.

82. Дж. Гоулдстейн. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: в 2 т. / Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Эчлин и др. - М.: Мир, 1984.

83.В.А.Гончаров. Моделирование инфузионных технологий изготовления слоистых полимерных композиционных материалов / В.А. Гончаров, М.Ю. Федотов, A.M. Шиенок, П.В. Зеленский, К.В. Сорокин. // ВИАМ, Июнь 2012.

84. X.Song. Modeling the VARTM Composite Manufacturing Process. / X.Song, A. C. Loos, B. W. Grimsley, R. J. Cano, P. Hubert.

109

85. X. Song. Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM):Model Development and Verification. / Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute, 14 April, 2003.

86. C. Zhao. Resin Flow Behavior Simulation of Grooved Foam Sandwich Composites with the Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI) Molding Process. / C. Zhao, G. Zhang, Y. Wu. // Materials, 2012. - No. 5. - P.1285-1296.

87. В. Котов. Комплекс для разработки и оптимизации технологий пропитки композитных конструкций. / В. Котов, Е. Пещеренко. // Наука и производство, 2012. - № 3-4. - С. 2-4.

88. Joon-Hyung Byun. 16th International conference composite materials «Architectural effect on mechanical properties of 3D carbon/PPS composites» / Joon-Hyung Byun, Yeun-Ho Yu, Kyeong-SikMin, Jin-Woo Yi, Moon-Kwang // Um Korea Institute of Machinery & Materials.

89. Е.Пещеренко. Современные технологии производства композитных изделий от ESI Group. / Е.Пещеренко. //Аэрокосмический курьер,2014 - №4. -С. 2-6.

Перечень ссылочных нормативных документов

№ Нормативные документы Стр.

1 IS07500-1 Материалы металлические. Проверка машин для статических одноосных испытаний. Часть 1. Машины для испытания на растяжение/сжатие. Проверка и калибрование системы измерения усилия 32

2 ГОСТ 2527193 (ИСО 2555-89) Пластмассы. Смолы жидкие, эмульсии или дисперсии. Определение кажущейся вязкости по Брукфильду 32, 53, 55

3 ASTM D695 Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics (Metric) 83, 97, 101

4 ГОСТ 25.602-80 Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах 83

5 ГОСТ 25.601-80 Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах 34

6 ТУ 2225-047174111212011 Эпоксидный компаунд И-108 50

7 ТУ 2257357018826195-03 Эпоксидный компаунд Этал Инжект VLS 50

8 МИ 00200851-3622014. Определения степени пропитки образцов графитов и углеродных стержней 9