книги / Технология композиционных материалов
..pdfМинистерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Пермский государственный технический университет
А.М.Вотинов
ТЕХНОЛОГИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Утверждено редакционно-издательским советом Пермского государственного технического университета в качестве учебного пособия
Пермь 1998
УДК 621
В79
Технология композиционных материалов: Учеб.пособие/ А.М. Вотинов; Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 1998. 138 с.
В пособии рассмотрены проблемы, возникающие при проектирова нии технологий создания изделий из конструкционных композиционных материалов. Содержатся практические рекомендации по применению различных армирующих наполнителей, матричных материалов и методов производства изделий й аэрокосмической, медицинской, нефтехими ческой и других отраслях промышленности.
Предназначено для студентов, инженеров и научных работников в области создания технологий получения композиционных материалов.
Табл.5. Лл. 4J. Библиогр.: Б назв.
Рецензенты: д-р техн.наук, ироф. Г.Л.Колмогоров; директор Института технической химии УрО РАН, чл.-корр. РАН Ю.С.Клячкин
©Пермский государственный технический университет, 1998
Введение |
.............................................................................................. |
|
|
|
5 |
|
Глава I, |
Характеристика основных компонентов компози |
|
||||
ционных материалов.......................................................... |
_....................... |
|
6 |
|||
1.1. Состав и классификация композиционных материалов.. |
6 |
|||||
1.2. Компоненты КМ и их функции....................... |
|
...................... |
|
7 |
||
1.3. Типы матриц, применяемых в производстве |
КМ............. |
8 |
||||
1.4. |
Армирующие наполнители, применяемые в К1Л................. |
24 |
||||
Глава 2 . Технология производства изделий из |
углерод- |
|
||||
углеродных композиционных материалов.............................................. |
|
|
|
32 |
||
2.1. |
Технологические процессы изготовления |
армирующих |
|
|||
систем из волокнистых углеродных наполнителей............................ |
|
|
32 |
|||
2.2. Уплотнение армирующих системуглеродной матрицей.. |
41 |
|||||
2.3. |
Термохимическая обработка углерод-углеродных ком |
|
||||
позиционных материалов........................................................................... |
|
|
|
47 |
||
2.4. Структура и свойства УУКМ................................................ |
|
|
|
49 |
||
2.5. |
Получение УУКМ с улучшеннымисвойствами.................. |
|
53 |
|||
2.6. |
Оборудование для производства углерод-углеродных |
|
||||
композиционных материалов..................................................................... |
|
|
|
56 |
||
2.7. |
Основы технологии осаждения пироуглерода |
из газо |
|
|||
вой ф азы |
|
|
|
|
|
60 |
Глава |
3. |
Технология производства |
изделий из |
композици |
|
|
онных материалов на полимерной матрице.......................................... |
|
|
96 |
|||
3.1. Структура технологического процесса . л |
...................... |
|
96 |
|||
3.2. |
Производство препрегов................... |
................................ |
104 |
|||
3.3. Формование изделий из полимерных композиционных |
|
|||||
материалов.................................................................................................... |
|
|
|
|
107 |
|
3.4. |
Технологические материалы, |
используемые |
при |
|
||
формовании ПКМ............................................................................................ |
|
|
|
П 9 |
||
3.5. |
Оборудование для переработки полимерных компо |
|
||||
зиционных материалов............................................................................... |
|
|
|
121 |
||
Глава 4. Технология производства композиционных ма |
|
териалов на металлической матрице.................................................. |
124 |
4.1. Общая характеристика процессов получения и об |
|
работки композиционных материалов.................................................. |
124 |
4.2. Классификация методов производства композици |
|
онных материалов на металлической матрице.................................. |
125 |
4.3. Методы формообразования изделий из |
МКМ и при |
меняемое оборудование........................................................................... |
136 |
Библиографический список ........................................................... |
138 |
В отечественной и мировой литературе отсутствуют обобщенные сведения по проектированию технологий создания изделий из конст рукционных композиционных материалов на углеродной, полимерной я металлической матрице.
Конструкционные композиционные материалы (КМ) по сравнению с традиционными металлами и сплавами обладают высокой удельной прочностью, удельной жесткостью и длительной коррозионной стой костью при работе в агрессивных средах.
Применение КМ позволяет снизить массу изделий и затраты на механическую обработку, а в ряде случаев ЮЛ нет альтернативы. Тонна конструкционного КМ способна высвободить пять-восемь тонн металла, Бключая остродефицитные.
Одно из зажнейших достоинств КМ - возможность изготовления из них элементов изделий с заранее заданными свойствами, наибо лее отвечающими условиям работы деталей и конструкций.
Композиционные материалы нашли широкое применение в летатель ных аппар тах, способных работать длительное время ь интервале температур от глинус 120 °С до паюс 120 °С и кратковременно до плюс 3800 °С, при знакопеременных нагрузках в теплонапряженных конструкциях, з тормозных системах авиа- и наземного транспорта, нефтегазопроводах, в медицинской и инвалидно-реабилитационной тех нике.
Учебное пособие включает три основных направления в создании и развитии технологий композиционных материалов: углерод-углерод- ных (УУКМ), полимерных (ПКМ) и металлокомпозитов (МКМ), которые определяют развитие науки и техники 'в этой области.
Раздел "Основы технологии осаждения иироуглерода из газовой фазы" написан при участии профессора Е.Л.Тарунина.
Глава I . ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
|
I . I . |
Состав и классификация |
|
|
|
|
|
|
|
|
композиционных материалов |
|
|
|
|
|
||
|
Материалы, |
содержащие две фазы или более, называются компо |
|||||||
зиционными, или просто композитами (от латинского |
compos Н о |
|
|||||||
составление, сочинение). |
|
|
|
|
|
|
|||
|
КМ обладают следующими отличительными признаками: не |
встреча |
|||||||
ются в природе, поскольку созданы человеком; состоят из двух |
или |
||||||||
более компонентов, различающихся по своему химическому составу |
и |
||||||||
разделенных выраженной границей; имеют новые свойства, |
отличающие |
||||||||
ся |
от свойств |
составляющих их компонентов; состав, форма |
и |
рас |
|||||
пределение компонентов запроектированы заранее; |
свойства |
определя |
|||||||
ются каждым из |
компонентов. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Компонент, непрерывный во всем объеме КМ, называется |
матри |
|||||||
цей. |
|
|
|
|
|
|
|
на |
|
|
Компонент прерывистый, разъединенный в объеме композиции, |
||||||||
зывается армирующим элементом. Понятие "армирующий11 означает |
вве |
||||||||
денный в материал с целью изменения его свойств, |
но не |
обязательно |
|||||||
"упрочняющий" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Структурно КМ представляет собой непрерывную фазу |
- |
матрицу, |
||||||
в объеме которой распределены частицы наполнителя, |
имеющие четко |
||||||||
выраженную границу раздела с матрицей. |
|
|
|
|
|
||||
|
Итак, КМ состоит из двух основных частей: матрицы |
(связующе |
|||||||
го) |
и наполнителя (армирующего компонента). |
|
|
|
|
|
|||
|
Классифицируют КМ по следующим основным признакам: по материа |
||||||||
лу |
матрицы и армирующих элементов; по геометрии |
компонентов; |
по |
||||||
методу получения. Иногда КМ разделяют |
по назначению. |
|
|
|
|||||
|
Общее название |
КМ происходит от |
материала матрицы. Если |
мат |
|||||
рицей (связующим) является углерод, а армирующим компонентом (на полнителем) углеродный волокнистый материал, имеем углерод-углерод ный композиционный материал (УУКМ). Если одна из фаз - полимер, а другие - твердые, жидкие или газообразные вещества, имеем полимер ный композиционный материал (ПКМ). Если матрицей является металл, имеем металлический композиционный материал (МКМ).
КМ, содержащие два или более различных по составу или приро де матричных материала, называются полиматричными.
ЮЛ, содержащие два или более различных по составу или приро де типа армирующих элементов, называются полиармированными.
1.2. Компоненты КМ и их функции
Армирующий наполнитель в конструкционных КМ несет силовую на грузку. Выигрыш в механических показателях связан с высокой проч ностью наполнителя, например борных или углеродных волокон. Матри ца в КМ служит как для придания им упругих свойств, так и для рас пределения напряжений между волокнами.
Для получения КМ применяют твердые наполнители: |
тонкодисперс |
||||
ные зернистые |
(сажа) или |
пластинчатые (слюда и |
д р .), |
полые |
сферы, |
гранулы, а также разнообразные волокнистые материалы |
(волокна, |
||||
ткани и д р .), |
нитевидные |
кристаллы (усы). В конструкционных |
КМ |
||
применяют преиглущественно |
волокнистый армирующий наполнитель. При |
||||
этом прочность |
КМ определяется двумя факторами |
- регулярностью |
|||
распределения |
волокон в объеме матрицы и взаимодействием между |
||||
волокном и матрицей (адгезией).
Свойства матрицы определяют механические свойства композитов при сдвиге и нагружении их нормальными напряжениями в направлени ях, отличных от ориентации волокон.
Важнейшими конструкционными свойствами Ж являются модуль упругости, ударная прочность, твердость, теплостойкость, сопротив
ление ползучести, прочность на отрыв, виброустойчивость, |
хемо |
|
стойкость. |
<з>м возрастает |
|
Теоретическая прочность материалов |
с увеличе |
|
нием модуля упругости Е и поверхностной |
энергии Л вещества и |
|
падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскос тями А
(1.1)
Следовательно, высокопрочные твердые вещества (тела) должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большее число автомов в единице объема. Этим требованиям удовлет
В зависимости от способа получения углеродная матрица, при меняемая в углерод-углеродных композиционных материалах, может быть коксовой, пироуглеродной, комбинированной, модифицированной. Коксовая матрица. Высокие прочностные и термические свойства УУКМ во многом определяются структурой и степенью адгезии угле-
род-кокса матрицы к армирующему наполнителю. Формирование угле родной матрицы происходит в условиях термохимического превращения исходного матричного вещества. Основные требования к исходным матричным веществам:
1) высокий выход (60-80 %) углерода при карбонизации и его способность к графитации;
2 ) низкое давление паров в процессе карбонизации и отсутст вие вспенивания при фазовом переходе углерода в твердое состояние;
3) термопластичность в процессе пиролиза и химическое взаимо
действие с армирующими волокнами для. увеличения их адгезионной |
свя |
|
зи с формирующейся углеродной матрицей. |
|
|
Для получения коксовой матрицы с высокими свойствами использу |
||
ют полимерные смолы и пеки, дающие структурированный |
углерод |
с |
высокой адгезией к армирующему наполнителю. |
|
|
Б качестве смол чаще всего применяют фенольные, |
а также поли |
|
амидные, опоксидные, эпоксиноволачные, фурфуриловые (табл.1 . 1 ). |
||
Полимерные и олигомерные смолы, используемые в качестве угле |
||
родных матриц, увеличивают при карбонизации выход кокса, способ |
||
ного к графитации, и обладают хорошей адгезией к волокнистому |
ар |
|
мирующему наполнителю. Они должны содержать большое количество |
аро |
|
матических углеводородов, иметь высокую молекулярную массу, разви тые поперечные связи и образовывать кольцевые связи в процессе кар бонизации.
Углеродная матрица образуется в результате термической дест рукции исходных органических полимеров. Термохимическое превраще ние полимера в углерод протекает в инертной среде или в вакууме в строго контролируемых температурных условиях.
Следует выделить две наиболее характерные группы реакций. К первой группе относятся деполимеризация и циклизация. При циклиза ции происходит глубокая деструкция полимера с выделением газооб разных и жидких продуктов пиролиза и наблюдается наибольшая потеря массы. Циклизация заканчивается при 360-400 °С. При дальнейшем
