Роль технологических факторов в формировании структурно-напряженного состояния конструкционных стеклопластиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Арсентьева, Светлана Николаевна

• Арсентьева, Светлана Николаевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Арсентьева, Светлана Николаевна

V/— объемное содержание волокна в стеклопластике; у - коэффициент Пуассона волокна; цт - коэффициент Пуассона матрицы; г - адгезионная прочность, МПа; у- относительное содержание наполнителя;

Ки - коэффициент использования прочности наполнителя;

М- критерий монолитности; г, - коэффициент соответствия характеристик связующих условиям монолитности; ср1 - коэффициент значимости характеристик связующего; с1 - диаметр изделия, мм.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.

Глава 1 Физико-химические и термомеханические аспекты технологии получения конструкционных стеклопластиков.

1.1 Конструкционные пластики, армированные стекловолокном.

1.2 Влияние структуры стеклянных волокон на упругопрочностные свойства композитов на их основе.

1.3 Физико-химическая совместимость компонентов стеклопластика

1.4 Термомеханическая совместимость компонентов стеклопластика

1.5 Выводы.

Глава 2 Факторы, определяющие прочность стеклопластиков.

Методология исследования.

• 2.1 Факторы, определяющие прочность и деформативность стеклопластиков.

2.2 Влияние состава и технологи получения на развитие по-врежденности конструкций из стеклопластиков в процессе эксплуатации.

2.3 Применение ДМА для исследования состава и режима отверждения стеклопластиков.

2.4 Экспериментальные методы оценки основных физико-механических свойств стеклопластиков.

2.5 Выводы.

Глава 3 Разработка метода прочностного моделирования изделий цилиндрической формы малого диаметра.

3.1 Применение спирали Архимеда для прочностного моделирования изделий цилиндрической формы малого диаметра.

3.2 Оценка количественного влияния структурно-напряженного состояния стеклопластикового стержня на прочность.

3.3 Аналитическая оценка влияния скорости отверждения и температуры полимеризации на монолитность изделия.

3.4 Аналитическая оценка развития поврежденности и срока службы конструкционного стеклопластика.

3.5 Выводы.

Глава 4 Экспериментальные исследования по составу композиции и режимам отверждения.

4.1 Связь состава эпокси-диановой композиции с эксплуатационными характеристиками.

4.2 Регулирование состава компонентов стеклопластика конструкционного назначения и выбор режима отверждения.

4.3 Проверка адекватности предложенной модели.

4.4 Выводы.

Глава 5 Рекомендации для технологического процесса.

5.1 Технологический процесс производства стеклопластикового изделия.

5.2 Технологические параметры процесса отверждения.

5.3 Повышение качества изделия.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роль технологических факторов в формировании структурно-напряженного состояния конструкционных стеклопластиков»

Широкое практическое применение стеклопластиковых конструкций началось в конце пятидесятых годов прошлого столетия и с тех пор области их использования расширяются.

На сегодняшний момент можно смело утверждать, что стеклопластики являются самым распространенным классом полимерных композиционных материалов. Именно для стеклопластиков разработаны различные модели прогнозирования упруго-прочностных свойств, условия монолитности, позволяющие оптимально подобрать состав компонентов материала и обеспечить их совместную работу. Однако, несмотря на достаточное освещение проблемы, нет единого мнения о комплексном влиянии различных технологических и структурных факторов, таких как температура, время отверждения, диаметр изделия, на эксплуатационные характеристики конструкционных стеклопластиков. Влияние вышеуказанных факторов связывается многопараметрическим анализом компонентного состава композиции, режимов совмещения и структурообразования в материале, дефектностью структуры, возможными механизмами разрушения, масштабным фактором и т. п.

Несмотря на то, что вопросы долговечности и механики разрушения для композитов вообще и для стеклопластиков в частности достаточно описаны в литературе (Н. Н. Трофимов, М. 3. Канович, П. Г. Бабаевский, С. Л. Рогинский, В. А. Калинчев, М. С. Макаров и др.), процессы взаимодействия, протекающие в материале, их кинетика и динамика не до конца изучены. Таким образом, исследование комплексного влияния структурных и технологических параметров на уровень внутренней напряженности, механику разрушения, а, следовательно, на срок службы материала является актуальной задачей современного композиционного материаловедения.

Стержневые стеклопластиковые конструкции получили широкое практическое применения в различных отраслях промышленности. Особенность применения стержневых элементов связана с разнообразием типоразмеров данных элементов (в частности их диаметров), что существенно затрудняет систематизацию выявления взаимосвязи структура — технология - свойства. Следовательно, целью представленной работы является исследование комплексного влияния геометрических и технологических факторов на структурно-напряженное состояние конструкционных стеклопластиков. Достижению поставленной цели служит решение комплекса задач:

• исследовать влияние состава конструкционного стеклопластика на развитие структурной поврежденности и уровень упруго-прочностных свойств;

• установить связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала;

• разработать математическую модель прогнозирования прочности стек-лопластикового элемента малого диаметра;

• установить зависимость упруго-прочностных свойств стеклопластико-вого стержня от комплексного влияния структурных и технологических факторов;

• разработать рекомендации к изменению существующей промышленной технологии получения стеклопластиковых изделий с целью минимизации влияния структурных и технологических факторов на качество готового изделия.

Решение поставленных задач в работе осуществлялось с применением экспериментальных методов:

• исследование кинетики отверждения эпоксидных композиций различного состава методом дифференциальной калориметрии;

• изучение кинетики изменения вязко-упругих свойств композита в процессе отверждения методом динамического механического анализа;

• определение физико-механическйх характеристик посредством разрушающих испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Установлена связь температурно-временного режима отверждения и геометрии изделия с уровнем внутренней напряженности материала.

• Разработана математическая модель, функционально связывающая прочность связи на границе раздела волокно-матрица, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения, что позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков, рассчитать основные физические показатели с учетом диаметра изделия, решить обратную задачу.

• Проведена аналитическая оценка уровня напряженности в стеклопластиках, на основе чего установлена взаимосвязь развития поврежден-ности и срока службы конструкционного стеклопластика с уровнем напряжений на границе раздела волокно-матрица, предложен механизм разрушения в соответствии с разработанной моделью. Практическая значимость работы заключается в разработанном комплексе технологических и конструкционных решений, позволяющих обеспечить получение стеклопластиковых стержневых элементов с хорошим уровнем эксплуатационных показателей.

• Предложен режим отверждения стеклопластиковых изделий малого сечения на примере центрального силового элемента оптоволоконного кабеля, обеспечивающий получение композита с минимальным уровнем напряжений.

• Предложен комплекс мероприятий, позволяющий данный техпроцесс сделать экономически эффективным.

• Усовершенствован метод проектирования технологических режимов новых изделий путем введения метода динамического механического анализа.

• Результаты работы внедрены в промышленном производстве (ООО "БЗС", г. Бийск) и в учебном процессе АлтГТУ на кафедре физики и технологии композиционных материалов (ФиТКМ).

Результаты проведенных исследований были представлены на открытом конкурсе на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях РФ "Химические науки, химическая технология, биотехнология, биоинженерия, химическое машиностроение" Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, 2002 г. (работа отмечена грамотой); на IX (2003 г.) и X (2004 г.) международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технология", г. Томск; IV городской научно-практической конференции молодых ученых "Молодежь - Барнаулу", г. Барнаул, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых "Наука. Техника. Инновации" - НТИ-2002, г. Новосибирск (работа отмечена дипломом), на второй Сибирской Студенческой LEOS конференции-конкурсе, г. Новосибирск, 2003 г. (работа отмечена дипломом), на XXXIII Уральском семинаре, г. Миасс; на III Всероссийской научно-практической конференции, г. Пенза.

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Арсентьева, Светлана Николаевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Осуществлен комплексный анализ влияния структурных, геометрических и технологических факторов на уровень внутренней напряженности и механику разрушения стеклопластиков, который позволил решить проблему получения качественного конструкционного материала.

2. Разработана математическая модель, функционально связывающая адгезионную прочность, структурную дефектность, уровень внутренних напряжений с температурно-временными режимами отверждения и геометрией изделия. Применение данной модели позволяет качественно оценить срок эксплуатации стержневых стеклопластиков в зависимости от диаметра и уровня монолитности. При этом коэффициент сходимости результатов или корреляции составляет порядка 5.12 %. Предложенная модель позволяет решить обратную задачу, т. е. по заданному пределу прочности рассчитать необходимый диаметр стержневого элемента.

3. Установлена качественная взаимосвязь срока эксплуатации изделия от технологических параметров и структуры получаемого материала, учет которой позволяет повысить степень отверждения материала до 97 % и снизить уровень дефектов до 2 %.

4. Разработан температурно-временной режим отверждения (скорость протяжки стеклопластикового прутка до 4-6 м/мин (в зависимости от диаметра изделия), температурный режим в полимеризаторах: от 150 °С до 300 °С.), позволяющий повысить физико-механические характеристики конструкционного СП (минимум на 5 %) и снизить уровень остаточных напряжений в материале.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Арсентьева, Светлана Николаевна, 2005 год

1. Автоматизированные производства изделий из КМ / В. С. Балакирев и др.; Под ред. В. С. Балакирева. - М.: Химия, 1990. - 240 с.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1974. - 568 с.

3. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / Под ред. Пар-фит Р.-М.: Наука, 1988. -215 с.

4. Альперин В. И. Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1985. -480 с.

5. Андреевская Г. Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. -М.: Наука, 1966.-525 с.

6. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фракционном взаимодействии. М.: Машиностроение, 1986. - 359 с.

7. Барашков Н. Н. Полимерные композиты: получение, свойства, применение М: Наука, 1984. - 128 с.

8. Бартенев Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М.:1. Химия, 1984.-280 с.

9. Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. М.: ВШ, 1983.-392 с.

10. Басин В. Е. Адгезионная прочность. М.: Химия, 1981. - 256 с.

11. Березин А. В., Козинкина А. Н. Особенности диагностики повреждений и оценки прочности композитов // Механика композитных материалови конструкций.-Т.5.- 1999. № 1.-С. 99-119.

12. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974.-392 с.

13. Берлин А. А., Волтфсон С. А., Оминян В. Г., Еникопопов Н. С. Принципы создания композиционных полимерных материалов. М: Химия, 1990.-240 с. :ил.

14. Берлин А. А., Вольфсон С. А., Ошмян Н. С. Ениколопов Н. С. Принципы создания композиционных материалов. М.: Химия, 1990. - 240 с.

15. Бобрышев А. Н., Козомазов В. Н., Авдеев Р. И. Кинетика отверждения композиционных материалов // Пластические массы, 1998 №9 С. 28-30.

16. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

17. Братухин А. Г., Сироткин О. С., Сабодаш П. Ф. Материалы будущего и их удивительные свойства. М.: Машиностроение, 1995. - 128 с.

18. Будницкий Г. М. Армирующие волокна для композиционных материалов. // Химические волокна. 1990. № 5. - С. 5-14.

19. Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. Для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998, - 516 е., ил.

20. Булманис В. Н., Гусев Ю. И., Стручков А. С., Антохонов В. Б. Экспериментальное исследование особенностей деформирования и разрушения при растяжении перекрёстно армированных композитов // Механика композитных материалов. 1985. - № 6 - С. 1020-1024.

21. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров. -М.: Химия, 1984.-222 с.

22. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

23. Влияние бензольных колец на тепло- и термостойкость эпоксидного связующего. Арсентьева С. Н., Маркин В. Б. С. 48-50 Инновации в машиностроении: Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2003. - 152 с.

24. Возможность применения правила смеси для пучка волокон. С. Н. Арсентьева, Е. С. Ананьева, В. Б. Маркин С. 14-25 Механика и процессы управления: труды XXXIII Уральского семинара/ Екатерин. бург, 2003 408 с.

25. Волосков Г. А. Механизмы структурообразования и роль режимов охлаждения в получении бездефектных эпоксидных полимеров // Механика композитных материалов. — 1987. — № 3. — С. 640-644.26,27.30.33,34,35