ÒÎÌÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ Êàôåäðà ìåõàíèêè äåôîðìèðóåìîãî òâåðäîãî òåëà
Þ. Í. ÑÈÄÎÐÅÍÊÎ ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÎÍÍÛÅ È ÔÓÍ...
155 downloads
239 Views
610KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
ÒÎÌÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ Êàôåäðà ìåõàíèêè äåôîðìèðóåìîãî òâåðäîãî òåëà
Þ. Í. ÑÈÄÎÐÅÍÊÎ ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÎÍÍÛÅ È ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÛÅ ÂÎËÎÊÍÈÑÒÛÅ ÊÎÌÏÎÇÈÖÈÎÍÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Òîìñê 2006
ÓÄÊ 621
Ñèäîðåíêî Þ. Í.
Êîíñòðóêöèîííûå è ôóíêöèîíàëüíûå âîëîêíèñòûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû. Ó÷åá. ïîñîáèå. Òîìñê: Èçä.-âî ÒÃÓ, 2006. 107 ñ.
Ó÷åáíîå ïîñîáèå ñîñòàâëåíî íà îñíîâå ãîñóäàðñòâåííûõ îáðàçîâàòåëüíûõ ñòàíäàðòîâ, îïðåäåëÿþùèõ òðåáîâàíèÿ ê ñîäåðæàíèþ ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ äëÿ îáëàñòåé íóêè è òåõíèêè, ñâÿçàííûõ ñ ñîçäàíèåì êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ è èçäåëèé èç íèõ.  ó÷åáíîå ïîñîáèå âêëþ÷åíû îñíîâíûå ñâåäåíèÿ î ñâîéñòâàõ, òåõíîëîãèÿõ èçãîòîâëåíèÿ è ïåðåðàáîòêè ñòðóêòóðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ âîëîêíèñòûõ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, ðàññìîòðåíû âîïðîñû ôîðìèðîâàíèÿ ñòðóêòóðû êîìîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, îïèñàíèÿ è ïðîãíîçèðîâàíèÿ èõ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Ó÷åáíîå ïîñîáèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ âóçîâ, îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòÿì 150502 Êîíñòðóèðîâàíèå è ïðîèçâîäñòâî èçäåëèé èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, 150301 Äèíàìèêà è ïðî÷íîñòü ìàøèí, à òàêæå ñìåæíûõ ñïåöèàëüíîñòåé.
Ðåöåíçåíòû: ïðîôåññîð êàôåäðû ïðèêëàäíîé ìàòåìàòèêè è èíôîðìàòèêè Òîìñêîãî óíèâåðñèòåòà ñèñòåì óïðàâëåíèÿ è ðàäèîýëåêòðîíèêè ä.ô.-ì.í. Þ. Â. Ãðèíÿåâ, çàâåäóþùèé ëàáîðàòîðèåé Ñèáèðñêîãî ôèçèêî-òåõíè÷åñêîãî èíñòèòóòà ä.ô.-ì.í. ïðîôåññîð Â. Ñ. Äåìèäåíêî
c Þ. Í. Ñèäîðåíêî, 2006
c Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, 2006
Îãëàâëåíèå
Ââåäåíèå
Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è îïðåäåëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Èñòîðèÿ ïîÿâëåíèÿ è ðàçâèòèå ïðàêòèêè ïðèìåíåíèÿ ÊÌ â òåõíèêå .
1
Èñõîäíûå ìàòåðèàëû. Ñâÿçóþùèå
1.1 1.2
1.3
1.4
2
Ïîëèìåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Îáùèå õàðàêòåðèñòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëèìåðîâ . . . . . . . . . . Íåíàñûùåííûå ïîëèýôèðíûå ñìîëû . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Òèïû íåíàñûùåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë . . . . . . . . . . 1.2.3 Îñíîâíûå ýëåìåíòû òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà ïîëèýôèðíûõ ñìîë è èçäåëèé èç íèõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Ïðîèçâîäñòâî èçäåëèé èç íåíàñûùåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë 1.2.5 Ñâîéñòâà îòâåðæäåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë . . . . . . . . Äðóãèå âèäû ñìîë, èñïîëüçóåìûå ïðè ïðîèçâîäñòâå ÊÌ . . . . . 1.3.1 Ñìîëû íà îñíîâå äèýôèðîâ âèíèëêàðáîíîâûõ êèñëîò (ÄÂÊ) 1.3.2 Ïîëèáóòàäèåíîâûå ñìîëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Ýïîêñèäíûå ñìîëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Òåðìîñòîéêèå ñìîëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ìåòàëëè÷åñêèå ìàòðèöû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Îñíîâû òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Îñíîâíûå òèïû ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö . . . . . . . . . . . 1.4.3 Íåêîòîðûå ñâîéñòâà ìåòàëëîêîìïîçèòîâ . . . . . . . . . . .
Èñõîäíûå ìàòåðèàëû. Àðìèðóþùèå âîëîêíà
2.1
Ñòåêëîâîëîêíî . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Ïðîèçâîäñòâî ñòåêëîâîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Ñîñòàâ ñòåêëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6 8
10
10 10 13 15 15 15
17 18 20 21 21 22 23 24 26 28 32 34 36
36 36 37
-4-
2.2
2.3 2.4
2.5
2.6
3
2.1.3 Ïðîäóêòû ïåðåðàáîòêè ñòåêëîâîëîêîí . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Ñîîòíîøåíèå ñòåêëîâîëîêíî/ñâÿçóþùåå . . . . . . . . . . . Ñòåêëîíàïîëíåííûå òåðìîïëàñòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Îñíîâû òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà ÑÍÒÏ . . . . . . . . . . 2.2.2 Âëèÿíèå õàðàêòåðèñòèê êîìïîíåíòîâ è òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ íà ñâîéñòâà ÑÍÒÏ . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Ïðèìåíåíèå ÑÍÒÏ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Âûñîêîñèëèêàòû è êâàðö . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Ñîñòàâ, ïîëó÷åíèå, ïðèìåíåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Ôèçè÷åñêèå è ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà . . . . . . . . . . . . . Áîðíûå è êàðáèä-êðåìíèåâûå âîëîêíà . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ è ñâîéñòâà áîðíûõ âîëîêîí . . . . . 2.4.3 Êàðáèä-êðåìíèåâûå âîëîêíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Âûñîêîìîäóëüíûå âîëîêíà ñ ïîêðûòèÿìè . . . . . . . . . . 2.4.5 Ïåðåðàáîòêà âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . . 2.4.6 Ïðèìåíåíèå áîðíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . . Óãëåðîäíûå âîëîêíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Ñûðüå äëÿ ïîëó÷åíèÿ Ó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Ïåðåðàáîòêà óãëåðîäíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . Àðàìèäíûå âîëîêíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Ïîëó÷åíèå è ïðîèçâîäñòâî . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Ñâîéñòâà àðàìèäíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Âëèÿíèå ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ÊÌ, àðìèðîâàííûõ àðàìèäíûìè âîëîêíàìè . . . . . . . . 2.6.4 Êîìïîçèòû íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . 2.6.5 Ïðèìåíåíèå ÊÂÌ íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí . . . . . .
Ìíîãîíàïðàâëåííûå êîìïîçèòû
3.1 3.2
3.3
3.4
Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ìíîãîíàïðàâëåííûå âîëîêîííûå êàðêàñû . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Âûáîð âîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Ïðîåêòèðîâàíèå òêàíûõ ñòðóêòóð . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Èçãîòîâëåíèå ìíîãîíàïðàâëåííûõ ñòðóêòóð . . . . . . . Óïëîòíåíèå ìíîãîíàïðàâëåííûõ ñòðóêòóð . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Îáùèå çàìå÷àíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Ìåòîäû ïðîïèòêè æèäêîñòüþ . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Ìåòîä îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû . . . . . . . . . . . . . Âëèÿíèå ñîñòàâà è òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ íà ñâîéñòâà ÓÓÊÌ
. . . . . . . . . .
40 43 44 45 46 47 47 47 48 49 49 49 54 55 56 57 57 57 59 71 72 72 73 74 76 77 78
78 79 79 79 82 84 84 84 87 88
-53.5 4
Ïðèìåíåíèå ïðîñòðàíñòâåííî àðìèðîâàííûõ ÓÓÊÌ . . . . . . . .
Îñíîâû ìåõàíèêè êîìïîçèòîâ
4.1 4.2 4.3 4.4
Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîé ãîìîãåííîñòè . . . . . . . Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ìèêðîìåõàíèêè . . . . . . . . . Ýôôåêòèâíûå ñâîéñòâà âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
90 92
92 93 94 95
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû
100
Ñïèñîê òàáëèö
103
Ñïèñîê èëëþñòðàöèé
104
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
106
Ââåäåíèå.
Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è îïðåäåëåíèÿ
Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû (ÊÌ)
ñëîæíûå ìàòåðèàëû, ñîñòîÿùèå èç 2-õ èëè áîëåå êîìïîíåíòîâ (äèñêðåòíûõ ýëåìåíòîâ è ñâÿçóþùåé èõ ìàòðèöû) è îáëàäàþùèå ñïåöèôè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, îòëè÷íûìè îò ñóììàðíûõ ñâîéñòâ ñîñòàâëÿþùèõ èõ êîìïîíåíòîâ. Äèñêðåòíûå ýëåìåíòû ìîãóò âûïîëíÿòü ïàññèâíóþ ðîëü ñëóæèòü íàïîëíèòåëåì, ëèáî àêòèâíóþ èñïîëüçîâàòüñÿ êàê àðìèðóþùèå (óïðî÷íÿþùèå) ýëåìåíòû. Èíåðòíûå íàïîëíèòåëè ÷àùå âñåãî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ñíèæåíèÿ ñòîèìîñòè êîìïîçèòà, äëÿ çàïîëíåíèÿ îáúåìà. Àêòèâíûå íàïîëíèòåëè ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ ìîäèôèêàöèè ìåõàíè÷åñêèõ ëèáî ôóíêöèîíàëüíûõ ñâîéñòâ (ïðî÷íîñòü, îêðàñêà, ýëåêòðîïðîâîäíîñòü è ò. ï.). Íåëüçÿ ñêàçàòü, ÷òî ÊÌ ÿâëÿþòñÿ èçîáðåòåíèåì ÷åëîâåêà.  ïðèðîäå ìîæíî íàéòè ìíîæåñòâî ïðèìåðîâ ÊÌ, êîòîðûå â êà÷åñòâå êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, èç êîòîðûõ ¾ïîñòðîåíû¿ æèâûå îðãàíèçìû, îáåñïå÷èâàþò ðåøåíèå ïðîáëåìû îáåñïå÷åíèÿ íåîáõîäèìîãî êîìïëåêñà ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Ïðèìåðû: ñòåáëè ðàñòåíèé, äðåâåñèíà, êîñòè æèâîòíûõ è ÷åëîâåêà è ò. ä. Çà÷àñòóþ ïðèðîäíûå ìàòåðèàëû íàìíîãî ïðåâîñõîäÿò ïî ñâîèì êà÷åñòâàì òå, ÷òî ñîçäàíû ÷åëîâåêîì. Ðå÷ü èäåò â ïåðâóþ î÷åðåäü îá óäåëüíûõ ñâîéñòâàõ òàêèõ ìàòåðèàëîâ, íàïðèìåð, îòíîøåíèå ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ê ïëîòíîñòè σb /ρ èëè îòíîøåíèå ìîäóëÿ óïðóãîñòè ê ïëîòíîñòè E/ρ.  ñâîþ î÷åðåäü, óäåëüíûå êà÷åñòâà êîìïîçèòîâ, ñîçäàííûõ ÷åëîâåêîì, îêàçûâàþòñÿ ëó÷øå àíàëîãè÷íûõ ñâîéñòâ òðàäèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðè ðàçðàáîòêå è èçãîòîâëåíèè íîâûõ ÊÌ, à òàêæå ïðè ñîçäàíèè êîíñòðóêöèé èç íèõ ïðèõîäèòñÿ îñîáîå âíèìàíèå óäåëÿòü âëèÿíèþ âíåøíèõ óñëîâèé (òåìïåðàòóðà, âûñîêàÿ âëàæíîñòü è äð.) íà ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýòèõ ìàòåðèàëîâ. ÊÌ îáëàäàþò è ðÿäîì ñïåöèôè÷åñêèõ ñâîéñòâ, êîòîðûå ìàëî õàðàêòåðíû äëÿ òðàäèöèîííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, íàïðèìåð, ìíîãèå ÊÌ îáëàäàþò çíà÷èòåëüíîé ïîëçó÷åñòüþ. Çà÷åì âñå ýòè ïðîáëåìû? Öåëüþ ñîçäàíèÿ ÊÌ ÿâëÿåòñÿ îáúåäèíåíèå ñõîæèõ èëè ðàçëè÷íûõ êîìïîíåíòîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàòåðèàëà ñ íîâûìè è, ÷òî îñîáåí-
-7íî âàæíî, çàäàííûìè ñâîéñòâàìè è õàðàêòåðèñòèêàìè, îòëè÷íûìè îò ñâîéñòâ è õàðàêòåðèñòèê èñõîäíûõ êîìïîíåíòîâ. Ïîÿâëåíèå ÊÌ ñäåëàëî âîçìîæíûì öåëåíàïðàâëåííûé îòáîð ìàòåðèàëîâ, îáëàäàþùèõ íåîáõîäèìûìè ñâîéñòâàìè äëÿ êàæäîé êîíêðåòíîé îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ. À îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ÊÌ ïðîñòèðàþòñÿ îò èçãîòîâëåíèÿ èãðóøåê äî èçãîòîâëåíèÿ ýëåìåíòîâ êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Âûáîð òåõ èëè èíûõ êîìïîíåíòîâ ïðè èçãîòîâëåíèè êîíêðåòíîãî ìàòåðèàëà çàâèñèò îò ìíîãèõ ôàêòîðîâ. Ïîìèìî ñîáñòâåííî ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ è ñîâìåñòèìîñòè êîìïîíåíòîâ çíà÷èòåëüíóþ ðîëü èãðàþò ñòîèìîñòü èõ ïðîèçâîäñòâà è äîñòóïíîñòü ñîîòâåòñòâóþùèõ òåõíîëîãèé, ýêîëîãè÷åñêàÿ áåçîïàñíîñòü ïðîèçâîäñòâà è äð. ÊÌ íàõîäÿò ïðèìåíåíèå êàê çàìåíèòåëè òðàäèöèîííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ (êîíêóðèðóÿ ñ íèìè ïî óðîâíþ ñâîèõ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ), òàê è â êà÷åñòâå ñïåöèàëüíî ñîçäàâàåìûõ ôóíêöèîíàëüíûõ ìàòåðèàëîâ, îáëàäàþùèõ íåêîòîðûìè ñïåöèàëüíûìè êà÷åñòâàìè, ðàäè êîòîðûõ îíè è ñîçäàâàëèñü òåïëîçàùèòíûå, ðàäèîïðîçðà÷íûå, àíòèêîððîçèîííûå, ýëåêòðîèçîëÿöèîííûå è ò. ï. Òðåáîâàíèÿ ê êîìïîíåíòàì íå äîëæíû ðàñòâîðÿòüñÿ èëè èíûì ñïîñîáîì ïîãëîùàòü äðóã äðóãà. Äîëæíû áûòü õîðîøî ñîâìåñòèìû. Ñâîéñòâà ÊÌ íåëüçÿ îïðåäåëèòü òîëüêî ïî ñâîéñòâàì èõ êîìïîíåíòîâ, áåç ó÷åòà èõ âçàèìîäåéñòâèÿ. Àðìèðóþùèå êîìïîíåíòû ìîãóò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé âîëîêíà, ïîðîøêè, ìèêðîñôåðû, êðèñòàëëû è ¾óñû¿ èç îðãàíè÷åñêèõ, íåîðãàíè÷åñêèõ, ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ èëè êåðàìèêè. Êëàññèôèêàöèÿ îáû÷íî ïî âèäó ñòðóêòóðíûõ ýëåìåíòîâ: óïðî÷íåííûå ÷àñòèöàìè, âîëîêíèñòûå, ñêåëåòíûå (êàðêàñíûå); Âîëîêíèñòûå ÊÌ: îäíîíàïðàâëåííûå ñ íåïðåðûâíûìè âîëîêíàìè; ñ èçìåëü÷åííûìè (êîðîòêèìè) âîëîêíàìè; àðìèðîâàííûå íåïðåðûâíûìè âîëîêíàìè, îðèåíòèðîâàííûìè âî ìíîãèõ íàïðàâëåíèÿõ. Âîëîêíî ýëåìåíò ìàòåðèàëà îòíîñèòåëüíî êîðîòêîé äëèíû è î÷åíü ìàëîãî ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ. ¾Óñû¿ (íèòåâèäíûå êðèñòàëëû) î÷åíü êîðîòêèå âîëîêíà, îáû÷íî èç ìîíîêðèñòàëëîâ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå ñâÿçóþùèå äëÿ àðìèðîâàííûõ ïëàñòèêîâ, êîòîðûå ïðåîáëàäàþò â îáùåì îáúåìå ïðîèçâîäñòâà êîìïîçèòîâ, ïîëèìåðû: ïîëèýôèðû, ôåíîëû, ýïîêñèäíûå êîìïàóíäû, ñèëèêîíû, àëêèäû, ìåëàìèíû, ïîëèàìèäû, ôòîðóãëåðîäíûå ñîåäèíåíèÿ, ïîëèïðîïèëåí, ïîëèýòèëåí, ïîëèñòèðîë è ò. ï. Ñâÿçóþùèå ÷àñòî äåëÿò íà òåðìîïëàñòû (ñïîñîáíûå ðàçìÿã÷àòüñÿ è çàòâåðäåâàòü ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû) è ðåàêòîïëàñòû èëè òåðìîðåàêòèâ-
-8íûå ñìîëû (â êîòîðûõ ïðè íàãðåâàíèè ïðîèñõîäÿò íåîáðàòèìûå ñòðóêòóðíûå è õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ). Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè òåðìîðåàêòèâíûå ñâÿçóþùèå.
Èñòîðèÿ ïîÿâëåíèÿ è ðàçâèòèå ïðàêòèêè ïðèìåíåíèÿ ÊÌ â òåõíèêå
Ïåðâûå âûñîêîïðî÷íûå ÊÌ áûëè ñîçäàíû â íà÷àëå 40-õ ãîäîâ. Ýòî áûëè àðìèðîâàííûå ïëàñòèêè. Ê íà÷àëó âòîðîé ìèðîâîé âîéíû áûëè ñîçäàíû ÊÌ, ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîòîðûõ êîíêóðèðîâàëè ñî ñâîéñòâàìè òðàäèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðèáëèæåíèå âîéíû ñòèìóëèðîâàëî ðàçâèòèå èññëåäîâàíèé â îáëàñòè ïðîèçâîäñòâà íîâûõ ïåðñïåêòèâíûõ ìàòåðèàëîâ, êîòîðûìè ÿâëÿëèñü ÊÌ. Ê íà÷àëó âîéíû â ÑØÀ óæå íà÷àëîñü ïðîìûøëåííîå ïðîèçâîäñòâî äåòàëåé èç êîìïîçèòà, ïðåäñòàâëÿâøåãî ñîáîé õëîïêîâîå ïîëîòíî, ïðîïèòàííîå ôåíîëüíîé ñìîëîé. Òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ âêëþ÷àë â ñåáÿ îòâåðæäåíèå ïîä íèçêèì äàâëåíèåì (14 ÌÏà). ×åðåç íåñêîëüêî ëåò óæå ïîÿâèëèñü ÊÌ, àðìèðîâàííûå ñòåêëîâîëîêíàìè. Ïîíà÷àëó ÊÌ ïðèìåíÿëèñü äëÿ óñèëåíèÿ îòäåëüíûõ óçëîâ êîíñòðóêöèè ñàìîëåòîâ â êà÷åñòâå îáëèöîâî÷íûõ ìàòåðèàëîâ. Ïîçäíåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå íàøëè ñîòîâûå è ñýíäâè÷åâûå êîíñòðóêöèè èç ñòåêëîâîëîêîííûõ ÊÌ. Ñýíäâè÷åâàÿ êîíñòðóêöèÿ ïàíåëü, íàðóæíûå ïîâåðõíîñòè êîòîðîé ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îòíîñèòåëüíî òîíêèå, ïëîòíûå, âûñîêîïðî÷íûå ïëàñòèíû, ìåæäó êîòîðûìè ïîìåùàåòñÿ ëåãêèé çàïîëíèòåëü (ÿ÷åèñòûé ìàòåðèàë, ïåíîïëàñò, ñîòîâàÿ êîíñòðóêöèÿ è ò. ä.). Ïðè íåáîëüøîì âåñå òàêèå êîíñòðóêöèè îáëàäàþò âåñüìà âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè. Àêòèâíîå ïðèìåíåíèå ÊÌ â àâèàñòðîåíèè íà÷àëîñü â ñåðåäèíå 50-õ ãîäîâ XX-ãî âåêà. Òîãäà æå íà÷àëîñü èññëåäîâàíèå âîçìîæíîñòåé ïðèìåíåíèÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå ÊÌ âûñîêîïðî÷íûõ âîëîêîí íà îñíîâå óãëåðîäà è áîðà, à òàêæå ïðîìûøëåííîå ïðîèçâîäñòâî ýòèõ âîëîêîí. ×åðåç 20 ëåò ïðèìåíåíèå ÊÌ â àâèàñòðîåíèè ñòàëî îáû÷íûì ÿâëåíèåì.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ÊÌ ïðèìåíÿþòñÿ ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Îíè èñïîëüçóþòñÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå àâòîìîáèëåé, ñóäîâ, ñàìîëåòîâ, ðàêåò, ïðè ñòðîèòåëüñòâå çäàíèé è ñîîðóæåíèé, â êà÷åñòâå îòäåëî÷íûõ ìàòåðèàëîâ, ïðè èçãîòîâëåíèè ðàçëè÷íûõ ïðèáîðîâ è ïðèñïîñîáëåíèé, â ìåäèöèíå, ñïîðòå è ò. ä. Íà÷àëüíûé ýòàï ðàçâèòèÿ ïðîèçâîäñòâà ÊÌ ñäåðæèâàëñÿ âûñîêèìè öåíàìè íà ñûðüå è íåäîñòàòî÷íîé ïðîèçâîäèòåëüíîñòüþ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîòðåáíîñòè â ÊÌ è íîâûõ òåõíîëîãèÿõ èõ ïðîèçâîä-
-9ñòâà ðàñòóò íàìíîãî áûñòðåå, ÷åì èäåò ðàçâèòèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è òåîðåòè÷åñêèõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ. Ýòî ïðèâåëî ê òîìó, ÷òî îñíîâíûì íàïðàâëåíèåì ðàçðàáîòêè êîìïîçèòîâ ÿâëÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûé ïîèñê. Îòñóòñòâèå íàäåæíûõ ìåòîäèê ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ èçäåëèé èç ÊÌ ïîâûøàåò ðèñê, ñâÿçàííûé ñ èõ ïðàêòè÷åñêèì ïðèìåíåíèåì â îòâåòñòâåííûõ è äîðîãîñòîÿùèõ êîíñòðóêöèÿõ. Ìíîãîîáðàçèå íîâûõ ìàòåðèàëîâ çàòðóäíÿåò êâàëèôèöèðîâàííûé àíàëèç âîçìîæíîñòåé ïî èõ ïðèìåíåíèþ. Îãðîìíûé è âñå âîçðàñòàþùèé îáúåì äàííûõ ñïåöèàëèçèðîâàííûõ ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé íîâûõ ÊÌ äåëàåò î÷åíü ñëîæíîé ðàáîòó ïðîåêòèðîâùèêîâ, êîòîðûå çà÷àñòóþ âûíóæäåíû ðàáîòàòü â óñëîâèÿõ íåïîëíîòû èíôîðìàöèè î ïðèìåíÿåìûõ èìè ìàòåðèàëàõ, ïîñêîëüêó êîìïëåêñ ñâîéñòâ, êîòîðûìè ýòè ìàòåðèàëû îáëàäàþò, èíîãäà íå óêëàäûâàåòñÿ â òðàäèöèîííûå ðàìêè, îãîâîðåííûå ñòàíäàðòàìè è íîðìàìè íà ïðîâåäåíèå èñïûòàíèé â êîíêðåòíîé îòðàñëè ïðîìûøëåííîñòè. Áîëåå òîãî, íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ïðîñòî íå ñóùåñòâóåò äîñòàòî÷íî ïîëíûõ ñïðàâî÷íèêîâ, âêëþ÷àþùèõ âñå íåîáõîäèìûå äàííûå î íîâûõ ìàòåðèàëàõ, ìåòîäàõ èõ èñïûòàíèé è íîðìàõ ïðèìåíåíèÿ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè àðìèðóþùèìè êîìïîíåíòàìè ïðè èçãîòîâëåíèè ÊÌ ÿâëÿþòñÿ ñòåêëÿííûå, ïîëèàìèäíûå, àñáåñòîâûå, öåëëþëîçíûå âîëîêíà. Ïðèìåíÿþòñÿ íàòóðàëüíûå âîëîêíà èç õëîïêà, ñèçàëÿ, äæóòà è äð. Ðàñøèðÿþòñÿ îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ óãëåðîäíûõ, ãðàôèòîâûõ, áîðíûõ, ñòàëüíûõ âîëîêîí è óñîâ. Ïîìèìî âîëîêîí ïðèìåíÿþòñÿ è äðóãèå íàïîëíèòåëè: ïîðîøêè íà îñíîâå àëþìèíèÿ, îêèñè æåëåçà, ãðàíèòû, êàðáèäû êðåìíèÿ è âîëüôðàìà, ìåòàëëû, íàòóðàëüíûå ìàòåðèàëû (íàïðèìåð, õëîïîê â ðàçëè÷íîé ôîðìå) è ò. ä.  êà÷åñòâå ìàòðèö ïîìèìî ïîëèìåðîâ ïðèìåíÿþò ìåòàëëû è êåðàìèêè.
Ãëàâà 1 Èñõîäíûå ìàòåðèàëû. Ñâÿçóþùèå
1.1
1.1.1
Ïîëèìåðû
Îáùèå õàðàêòåðèñòèêè
Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ âñåõ âûñîêîìîëåêóëÿðíûõ ñîåäèíåíèé (ïîëèìåðîâ) ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè ñîñòîÿò èç ìàêðîìîëåêóë ãèãàíòñêèõ (ïî ìåðêàì ìîëåêóëÿðíûõ ïðåäñòàâëåíèé) ìîëåêóë, îáðàçîâàâøèõñÿ â ðåçóëüòàòå õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà èñõîäíûõ ìîëåêóë-ìîíîìåðîâ. Èñõîäíûå ìîëåêóëû ìîãóò áûòü êàê îäíîòèïíûìè (ãîïîëèìåð), òàê è ðàçíîòèïíûìè (ñîïîëèìåð). Ìîëåêóëû âûñîêîìîëåêóëÿðíûõ ñîåäèíåíèé ñîäåðæàò áîëüøîå êîëè÷åñòâî (ñîòíè è òûñÿ÷è) àòîìîâ, ñâÿçàííûõ â îïðåäåëåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè â îäíó öåïü. Ïðàêòè÷åñêè âñå ïîëèìåðû èìåþò ïîâòîðÿþùèåñÿ ýëåìåíòû â ñâîåé ñòðóêòóðå [1]. Íàïðèìåð, êàæäàÿ ìàêðîìîëåêóëà ïîëèýòèëåíà ñîñòîèò èç ýëåìåíòàðíûõ çâåíüåâ ýòèëåíà:
CH2 = CH2
−→
(−CH2 − CH2 −)n ,
ãäå n ìîæåò äîñòèãàòü 104 . Ñâîéñòâà âûñîêîìîëåêóëÿðíûõ ñîåäèíåíèé çàâèñÿò îò õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ, ìîëåêóëÿðíîãî âåñà, ñòðóêòóðû öåïè, âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ ìîëåêóë è äðóãèõ ôàêòîðîâ. Íåñìîòðÿ íà ðàçíîîáðàçèå ñâîéñòâ, ïîëèìåðû îáëàäàþò è îáùèìè õàðàêòåðíûìè ïðèçíàêàìè, ñðåäè êîòîðûõ ìîæíî îòìåòèòü ñëåäóþùèå: äîñòàòî÷íî âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà; òóãîïëàâêîñòü è íåëåòó÷åñòü (â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ); ïëîõàÿ ðàñòâîðèìîñòü (íåêîòîðûå ïîëèìåðû íå ðàñòâîðèìû âîîáùå). Ñâîéñòâà ïîëèìåðîâ âî ìíîãîì çàâèñÿò îò õàðàêòåðà ðàñïîëîæåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ çâåíüåâ â ìàêðîìîëåêóëå, èíà÷å ãîâîðÿ, îò ñòðóêòóðû ìàêðîìîëåêóëû.
- 11 -
Ðèñ. 1.1. Ìàêðîìîëåêóëà ñ ëèíåéíîé ñòðóêòóðîé
Ðàçëè÷àþò ëèíåéíûå (ðàçâåòâëåííûå), ñåò÷àòûå è ïðîñòðàíñòâåííûå ñòðóêòóðû ìàêðîìîëåêóë ïîëèìåðîâ. Ëèíåéíàÿ ñòðóêòóðà õàðàêòåðèçóåòñÿ òåì, ÷òî êàæäîå ýëåìåíòàðíîå çâåíî ñâÿçàíî òîëüêî ñ äâóìÿ ñîñåäíèìè çâåíüÿìè (ðèñ. 1.1). Òàêèå öåïî÷êè ìîãóò ðàñïîëàãàòüñÿ ïàðàëëåëüíî (îáðàçîâûâàòü âîëîêíà), ïåðåïëåòàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì èëè ñâåðòûâàòüñÿ â êëóáêè, êàê ýòî íàáëþäàåòñÿ ó êàó÷óêà. Ïîëèìåðû, îáëàäàþùèå ëèíåéíîé ñòðóêòóðîé, ýëàñòè÷íû, ñïîñîáíû ðàñòâîðÿòüñÿ è ðàçìÿã÷àòüñÿ ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû. Ëèíåéíûå ìàêðîìîëåêóëû èíîãäà ñîäåðæàò áîêîâûå îòâåòâëåíèÿ ðàçëè÷íîé äëèíû. Òàêóþ ðàçíîâèäíîñòü ñòðóêòóðû íàçûâàþò ðàçâåòâëåííîé (ðèñ. 1.2). Íàëè÷èå ðàçâåòâëåíèé ïðèâîäèò ê îñëàáëåíèþ ìåæìîëåêóëÿðíûõ ñèë. Êàê ñëåäñòâèå, ïîëèìåðû, îáëàäàþùèå ðàçâåòâëåííîé ñòðóêòóðîé, ïî ñðàâíåíèþ ñ ëèíåéíûìè áîëåå õðóïêè, ìåíåå òåðìîñòîéêè, ìîãóò ðàñòâîðÿòñÿ â íåêîòîðûõ ðàñòâîðèòåëÿõ. Ñåò÷àòàÿ ñòðóêòóðà (ðèñ. 1.3) îáðàçóåòñÿ â òîì ñëó÷àå, êîãäà ëèíåéíûå ìàêðîìîëåêóëû ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì ñ ïîìîùüþ áîêîâûõ îòâåòâëåíèé â åäèíóþ ñåòêó. Îáû÷íî òàêàÿ ñòðóêòóðà õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîâûøåííûìè óïðóãèìè ñâîéñòâàìè è ìåíüøåé òâåðäîñòüþ. Ïðèìåðû òàêèõ ìàòåðèàëîâ: ðåçèíà, ýáîíèò. Ëèíåéíûå ìàêðîìîëåêóëû, ñâÿçàííûå ìåæäó ñîáîé â íåñêîëüêèõ ïëîñêîñòÿõ, îáðàçóþò ïðîñòðàíñòâåííóþ ñòðóêòóðó. Êîëè÷åñòâî ïîïåðå÷íûõ ñâÿçåé âëèÿåò íà ñâîéñòâà ïîëèìåðà ÷åì èõ áîëüøå, òåì âûøå ñòîéêîñòü ïîëèìåðà ê âíåøíèì âîçäåéñòâèÿì. Ïî ñïîñîáó ïîëó÷åíèÿ ïîëèìåðû ïîäðàçäåëÿþò íà ïîëèìåðèçàöèîííûå è ïîëèêîíäåíñàöèîííûå. åñòü ðåàêöèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ìíîãèõ ìîëåêóë ìîíîìåðà è ñîåäèíåíèÿ èõ â áîëüøóþ ìîëåêóëó ïîëèìåðà, èìåþùåãî òîò æå ýëåìåíòàðíûé ñîñòàâ, ÷òî è èñõîäíûé ìîíîìåð. Äëÿ ðåàêöèè ïîëèìåðèçàöèè õàðàêòåðíûì ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ïðè íåé íå âûäåëÿþòñÿ êàêèå-ëèáî ïîáî÷íûå ïðîäóêòû. Ðàçíîâèäíîñòüþ ïðîöåññà ïîëèìåðèçàöèè ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññ ñîïîëèìå-
Ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè
- 12 -
Ðèñ. 1.2. Ðàçâåòâëåííàÿ ìàêðîìîëåêó-
ëà
Ðèñ. 1.3. Ñåò÷àòàÿ ñòðóêòóðà
ðèçàöèè, ïðè êîòîðîì â åäèíóþ ìîëåêóëó îáúåäèíÿþòñÿ äâà è áîëåå ðàçëè÷íûõ ìîíîìåðîâ. ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðåàêöèþ ñîåäèíåíèÿ áîëüøîãî ÷èñëà ìîëåêóë äâóõ èëè íåñêîëüêèõ ðàçíûõ ìîíîìåðîâ ñ âûäåëåíèåì ïîáî÷íûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè (âîäà, ñïèðò è äð.). Ñîñòàâ ýëåìåíòàðíîãî çâåíà ïîëèìåðà, ïîëó÷àþùåãîñÿ â ðåçóëüòàòå ðåàêöèè, îòëè÷àåòñÿ îò ñîñòàâà èñõîäíûõ ìîíîìåðîâ. Îäíèì èç íàèáîëåå óïîòðåáèòåëüíûõ ñïîñîáîâ êëàññèôèêàöèè ïîëèìåðîâ ÿâëÿåòñÿ èõ ðàçäåëåíèå ïî îòíîøåíèþ ê âîçäåéñòâèþ òåïëà: âûäåëÿþò òåðìîïëàñòè÷íûå, òåðìîñòàáèëüíûå è òåðìîðåàêòèâíûå ïîëèìåðû. Òåðìîïëàñòè÷íûå ñîåäèíåíèÿ ïðè íàãðåâàíèè ïðîÿâëÿþò âîçðàñòàþùóþ ïëàñòè÷íîñòü, ìîãóò ïåðåõîäèòü â âÿçêîòåêó÷åå ñîñòîÿíèå. Ïðè ïîñëåäóþùåì îõëàæäåíèè âíîâü âîçâðàùàþòñÿ â òâåðäîå óïðóãîå ñîñòîÿíèå. Òàêîé ïðîöåññ ìîæåò ïîâòîðÿòüñÿ ìíîãîêðàòíî. Òåðìîïëàñòè÷íûìè îáû÷íî ÿâëÿþòñÿ ïîëèìåðû ñ ëèíåéíîé èëè ðàçâåòâëåííîé ñòðóêòóðàìè ìàêðîìîëåêóë, õàðàêòåðèçóþùèõñÿ ñëàáûì ìåæìîëåêóëÿðíûì âçàèìîäåéñòâèåì. Òåðìîðåàêòèâíûå ñîåäèíåíèÿ ïðè íàãðåâàíèè ëåãêî ïåðåõîäÿò â âÿçêîòåêó÷åå ñîñòîÿíèå, íî ïðè äëèòåëüíîì âîçäåéñòâèè ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðû ïðåâðàùàþòñÿ â òâåðäóþ ñòåêëîîáðàçíóþ èëè ðåçèíîïîäîáíóþ ìàññó. Âîçâðàòà ïëàñòè÷íûõ ñâîéñòâ ïîñëå òàêîãî ïðåâðàùåíèÿ óæå íå ïðîèñõîäèò. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî äàííûé êëàññ ïîëèìåðîâ ïðè íàãðåâàíèè èñïûòûâàåò õèìè-
Ïðîöåññ ïîëèêîíäåíñàöèè
- 13 ÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ, âñëåäñòâèå êîòîðûõ ìàòåðèàë ïðèîáðåòàåò ñåò÷àòóþ èëè ïðîñòðàíñòâåííóþ ñòðóêòóðó ìàêðîìîëåêóë. Ïîäîáíûå ñâîéñòâà õàðàêòåðíû äëÿ ñìîë. Òåðìîñòàáèëüíûå ñîåäèíåíèÿ ñëàáî ðåàãèðóþò íà èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû. Èõ ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàëî èçìåíÿþòñÿ âïëîòü äî òåðìîðàçðóøåíèÿ. Òàêîå ïîâåäåíèå õàðàêòåðíî äëÿ ïîëèìåðîâ ñ ñåò÷àòîé è ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðàìè ìàêðîìîëåêóë, à òàêæå äëÿ íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ, èìåþùèõ ëèíåéíóþ âûñîêîîðèåíòèðîâàííóþ ïîëÿðíóþ ñòðóêòóðó.
1.1.2
Ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëèìåðîâ
Ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëèìåðîâ îïðåëåäÿþòñÿ íå òîëüêî èõ õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì, íî è ôèçè÷åñêèì ñîñòîÿíèåì. Ïîëèìåðû ìîãóò íàõîäèòüñÿ â àìîðôíîì èëè ÷àñòè÷íî êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè.  ñëó÷àå àìîðôíîãî ñîñòîÿíèÿ óïîðÿäî÷åííîå ñòðîåíèå íàáëþäàåòñÿ òîëüêî íà ðàññòîÿíèÿõ, ñðàâíèìûõ ñ ðàçìåðàìè çâåíüåâ öåïè. Ïîä êðèñòàëëè÷íîñòüþ ïîíèìàåòñÿ óïîðÿäî÷åííîå ðàñïîëîæåíèå ìàêðîìîëåêóë. Äëÿ êðèñòàëëè÷åñêèõ ïîëèìåðîâ ïîðÿäîê â ðàñïîëîæåíèè ìîëåêóë íàáëþäàåòñÿ íà ðàññòîÿíèÿõ âî ìíîãî ðàç ïðåâûøàþùèõ ðàçìåðû çâåíüåâ öåïè ïîëèìåðà. Îáû÷íî äëÿ ïîëèìåðîâ õàðàêòåðíî ñìåøàííîå ñîñòîÿíèå, êîãäà ÷àñòü îáúåìà íàõîäèòñÿ â êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè, à ÷àñòü â àìîðôíîì. Ïðèíÿòî ñ÷èòàòü, ÷òî ïîëèìåð íàõîäèòñÿ â êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè, åñëè ýòî ñîñòîÿíèå èìååò 60 è áîëåå ïðîöåíòîâ åãî îáúåìà. Ñòåïåíü êðèñòàëëè÷íîñòè çàâèñèò îò óñëîâèé, â êîòîðûõ ïîëèìåð íàõîäèòñÿ (òåìïåðàòóðà, âëàæíîñòü, ìåõàíè÷åñêîå íàãðóæåíèå è ò. ï.). Äàæå â êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè ïîëèìåðû ïî ñâîèì äåôîðìàöèîííûì ñâîéñòâàì îòëè÷àþòñÿ îò íèçêîìîëåêóëÿðíûõ ñîåäèíåíèé, íàïðèìåð, ìåòàëëîâ. Âîçðàñòàíèå äåôîðìàöèé ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ìàêðîìîëåêóëû âûòÿãèâàþòñÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ äåôîðìèðîâàíèÿ. Îðèåíòèðîâàííûå ïîëèìåðû õàðàêòåðèçóþòñÿ àíèçîòðîïèåé ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ è âîçðàñòàíèåì ïðî÷íîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîëèìåðàìè â ðàçîðèåíòèðîâàííîì êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè. Îðèåíòèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ìîæåò áûòü çàôèêñèðîâàíî ïóòåì ¾âûòÿãèâàíèÿ¿ ïîëèìåðà ïðè ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðå è ïîñëåäóþùåãî îõëàæäåíèÿ â äåôîðìèðîâàííîì ñîñòîÿíèè. Àìîðôíîå ñîñòîÿíèå (ñòåêëîîáðàçíîå) õàðàêòåðèçóåòñÿ íåñêîëüêî áîëüøåé âçàèìíîé ïîäâèæíîñòüþ ìàêðîìîëåêóë, ÷åì â ñëó÷àå êðèñòàëëè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ. Ïåðåõîä ìàòåðèàëà èç æèäêîãî â àìîðôíîå (íå êðèñòàëëè÷åñêîå) ñîñòîÿíèå íàçûâàþò ñòåêëîâàíèåì. Òàêîé ïåðåõîä èìååò ìåñòî òîãäà, êîãäà ñòðîãîå óïîðÿäî÷åíèå ìîëåêóë (êðèñòàëëèçàöèÿ) ïðè ïîíèæåíèè òåìïåðàòóðû çàòðóäíÿåòñÿ âñëåäñòâèå áîëüøîãî ðàçìåðà ìàêðîìîëåêóë, ÷òî ñîïðîâîæäàåòñÿ âûñî-
- 14 -
ε, % C
B A T,oC Tcm
TT
Ðèñ. 1.4. Ãðàôèê çàâèñèìîñòè äåôîðìàöèè òåðìîïëàñòè÷íîãî àìîðôíîãî ïîëèìåðà îò òåìïåðàòóðû: A ñòåêëîîáðàçíîå ñîñòîÿíèå, B âûñîêîýëàñòè÷íîå ñîñòîÿíèå, C âÿçêîòåêó÷åå ñîñòîÿíèå, Tcm òåìïåðàòóðà ñòåêëîâàíèÿ, TT òåìïåðàòóðà òåêó÷åñòè êèì âíóòðåííèì òðåíèåì ñâîåãî ðîäà ¾íåïîâîðîòëèâîñòüþ¿ ìàêðîìîëåêóë ïîëèìåðà. Ìîëåêóëû ïðè ýòîì ôèêñèðóþòñÿ â íåêîòîðîì ðàçóïîðÿäî÷åííîì ñîñòîÿíèè, ìåæäó íèìè îáðàçóþòñÿ ñëàáûå ñâÿçè, êîòîðûå äîïîëíèòåëüíî ìåøàþò ïåðåõîäó ìàòåðèàëà â êðèñòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå. Ìàòåðèàë ïåðåõîäèò â òâåðäîå ñîñòîÿíèå, íî áåç ðåãóëÿðíîãî ïîðÿäêà â ðàñïîëîæåíèè ìàêðîìîëåêóë. Ïðè ïåðåõîäå èç âÿçêîòåêó÷åãî â òâåðäîå (àìîðôíîå èëè êðèñòàëëè÷åñêîå) ñîñòîÿíèå ïîëèìåðû ïðîõîäÿò ÷åðåç ïðîìåæóòî÷íóþ ôàçó, êîòîðóþ íàçûâàþò âûñîêîýëàñòè÷íûì ñîñòîÿíèåì (ðèñ. 1.4).  ýòîì ñîñòîÿíèè ïîëèìåðû ïðîÿâëÿþò óïðóãèå ñâîéñòâà, ïðè÷åì âåëè÷èíà äåôîðìàöèé äîñòàòî÷íî âåëèêà ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ íàãðóçêè. Ôèçè÷åñêè òàêàÿ äåôîðìàöèÿ ðåàëèçóåòñÿ çà ñ÷åò ðàñïðàâëåíèÿ ñâåðíóòûõ â êëóáêè è ñïèðàëè ìàêðîìîëåêóë. Ïîñëå ñíÿòèÿ íàãðóçêè ìàêðîìîëåêóëû âîçâðàùàþòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå, îäíàêî ýòîò ïðîöåññ çàíèìàåò íåêîòîðîå äîñòàòî÷íî ïðîäîëæèòåëüíîå âðåìÿ. Äèàãðàììà äåôîðìèðîâàíèÿ ïîëèìåðîâ â ýòîì ñîñòîÿíèè èìååò ïðèçíàêè âÿçêîóïðóãîãî ïîâåäåíèÿ. Äëÿ ïîëèìåðîâ õàðàêòåðíî íàëè÷èå çàâèñèìîñòè ïàðàìåòðîâ ïðîöåññà äåôîðìèðîâàíèÿ îò ñêîðîñòè íàãðóæåíèÿ è òåìïåðàòóðû. Îòêëèê ìàòåðèàëà íà íàãðóæåíèå íåñêîëüêî çàïàçäûâàåò, ïðè ýòîì âðåìÿ çàïàçäûâàíèÿ òåì ìåíüøå, ÷åì âûøå òåìïåðàòóðà. Ãîâîðÿò, ÷òî ïðîöåññ äåôîðìèðîâàíèÿ ñîïðîâîæäàåòñÿ ðåëàêñàöèîííûìè ýôôåêòàìè. Âûñîêàÿ ñêîðîñòü íàãðóæåíèÿ ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ïîëèìåð âåäåò ñåáÿ êàê æåñòêîå òåëî, íå óñïåâàÿ îòêëèêàòüñÿ íà èçìåíåíèå íàãðóçêè.
- 15 1.2
1.2.1
Íåíàñûùåííûå ïîëèýôèðíûå ñìîëû
Ââåäåíèå
Ïîëèýôèðíûå ñìîëû ñîäåðæàò íåñêîëüêî êîìïîíåíòîâ: ñìîëà, èíèöèàòîð, íàïîëíèòåëü è àêòèâàòîð. Ñìîëà ñëóæèò îñíîâîé, àêòèâàòîð ïîâûøàåò åå õèìè÷åñêóþ àêòèâíîñòü, èíèöèàòîð çàïóñêàåò õèìè÷åñêóþ ðåàêöèþ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé ñìîëà îòâåðæäàåòñÿ. Ïðè îòâåðæäåíèè èäåò îáðàçîâàíèå ïðî÷íîé ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû, ðåàêöèÿ îòâåðæäåíèÿ ïðîõîäèò ñ âûäåëåíèåì òåïëîòû, ÷òî ñïîñîáñòâóåò áîëåå ïîëíîìó ïðîòåêàíèþ ïðîöåññà.  êà÷åñòâå íàïîëíèòåëÿ ÷àùå âñåãî èñïîëüçóþòñÿ ñòåêëîâîëîêíà. Ñâîéñòâà ïîëèýôèðíûõ ñìîë äîñòàòî÷íî ðàçíîîáðàçíû, ñòîèìîñòü èõ íåâûñîêà. Ðàçíîîáðàçèå ñâîéñòâ è äîñòóïíîñòü ñìîë ÿâëÿþòñÿ ïðè÷èíîé èõ øèðîêîãî ïðèìåíåíèÿ. Èç íàïîëíåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë èçãîòàâëèâàþò äåòàëè ñóäîâ, ñàìîëåòîâ, àâòîìîáèëåé, ñòðîèòåëüíûå ïàíåëè, êîðïóñà ìàëîìåðíûõ ñóäîâ, ñïîðòèíâåíòàðü è ìíîãîå äðóãîå.
1.2.2
Òèïû íåíàñûùåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë
Ïðîÿâëÿåìûå íåíàñûùåííûìè ïîëèýôèðíûìè ñìîëàìè òèïè÷íûå ñâîéñòâà ñëóæàò îñíîâîé äëÿ âûäåëåíèÿ ñðåäè íèõ íåñêîëüêèõ îñíîâíûõ òèïîâ. Ïîëèýôèðíûå ñìîëû îáùåãî íàçíà÷åíèÿ
Ýòîò òèï ñìîë îáû÷íî ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé è ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèé áûòîâîãî íàçíà÷åíèÿ ëèáî ñëàáîíàãðóæåííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ýëåìåíòîâ. Ñìîëû èïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì â ÷èñòîì âèäå, áåç àðìèðîâàíèÿ. Ïðèìåðû ïðèìåíåíèÿ: åìêîñòè äëÿ æèäêîñòåé, ñòîéêè, ïîääîíû è ò. ï. Ýëàñòè÷íûå ïîëèýôèðíûå ñìîëû
Òàêèå ñìîëû îòëè÷àþòñÿ áîëüøåé ýëàñòè÷íîñòüþ è ìåíüøåé æåñòêîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñìîëàìè îáùåãî íàçíà÷åíèÿ. Ýòè ñìîëû îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå äîáàâîê ê äðóãèì òèïàì ñìîë äëÿ ñíèæåíèÿ èõ õðóïêîñòè è æåñòêîñòè, à òàêæå îáëåã÷åíèÿ îáðàáîòêè. Íàõîäÿò ïðèìåíåíèå ïðè èçãîòîâëåíèè äåêîðàòèâíûõ èçäåëèé, ïóãîâèö è ò. ï. Óïðóãèå ïîëèýôèðíûå ñìîëû
Ïîëèýôèðíûå ñìîëû ýòîãî òèïà îòëè÷àþòñÿ áîëüøåé æåñòêîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñ ýëàñòè÷íûìè ñìîëàìè. Èñïîëüçóþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè èçäåëèé, èñïû-
- 16 òûâàþùèõ óäàðíûå íàãðóçêè: çàùèòíûå øëåìû, îãðàæäåíèÿ, äåòàëè êîðïóñîâ àâòîìîáèëåé è ñàìîëåòîâ. Ïîëèýôèðíûå ñìîëû ñ ìàëîé óñàäêîé
Óñàäêà ñìîë â ïðîöåññå îòâåðæäåíèÿ ìîæåò ïðèâîäèòü ê ïîÿâëåíèþ äåôåêòîâ (ðàêîâèí) íà ïîâåðõíîñòè ñîçäàâàåìûõ èçäåëèé. Ïîëèýôèðíûå ñìîëû ñ ìàëîé óñàäêîé âêëþ÷àþò â ñåáÿ òåðìîïëàñòè÷íûå êîìïîíåíòû (íàïðèìåð, ïîëèñòèðîë), êîòîðûå òîëüêî ÷àñòè÷íî ðàòâîðÿþòñÿ â èñõîäíîé êîìïîçèöèè.  òàêèõ ñìîëàõ ïðè îòâåðæäåíèè èìååò ìåñòî îáðàçîâàíèå âíóòðåííèõ ìèêðîïóñòîò (ìèêðîïîð), êîòîðûå êîìïåíñèðóþò îáû÷íóþ óñàäêó ïîëèìåðíîé ñìîëû. Ñìîëû ñ ìàëîé óñàäêîé ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíè äåòàëåé àâòîìîáèëåé è áûòîâîé ýëåêòðîòåõíèêè. Ïîëèýôèðíûå ñìîëû, óñòîé÷èâûå ê àòìîñôåðíûì âîçäåéñòâèÿì
Îñíîâíîå íàçíà÷åíèå ñìîë ýòîãî òèïà ñîõðàíåíèå ñâîéñòâ ïîä äåéñòâèåì ñîëíå÷íîãî ñâåòà. Ñ ýòîé öåëüþ â íèõ ââîäÿò êîìïîíåíòû, ïîãëîùàþùèå óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå, à òàêæå ïîäáèðàþò êîìïîíåíòû, óñòîé÷èâûå ê âîçäåéñòâèþ ñîëíå÷íîãî èçëó÷åíèÿ. Òàêèå ñìîëû ïðèìåíÿþòñÿ â ñòðîèòåëüñòâå ïðè èçãîòîâëåíèè ïåðåêðûòèé, íàðóæíûõ ïàíåëåé îáëèöîâêè çäàíèé, êðûø. Õèìè÷åñêè ñòîéêèå ïîëèýôèðíûå ñìîëû
Äëÿ ñìîë îáùåãî íàçíà÷åíèÿ õàðàêòåðíà ñëàáàÿ óñòîé÷èâîñòü ê âîçäåéñòâèþ ùåëî÷åé. Èñïîëüçîâàíèå êîìïîíåíòîâ, ïîâûøàþùèõ ñîäåðæàíèå óãëåðîäà â ñìîëå, ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ êîëè÷åñòâà õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ñâÿçåé. Òàêèå ñìîëû èñïîëüçóþò â ïðîèçâîäñòâå äåòàëåé õèìè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ âûòÿæíûõ øêàôîâ, êîðïóñîâ õèìè÷åñêèõ ðåàêòîðîâ, åìêîñòåé, òðóáîïðîâîäîâ. Îãíåñòîéêèå ïîëèýôèðíûå ñìîëû
Îáû÷íî èçäåëèÿ èç àðìèðîâàííûõ ñòåêëîâîëîêíîì ïîëèýôèðíûõ ñìîë ÿâëÿþòñÿ ãîðþ÷èìè ìàòåðèàëàìè, äëÿ êîòîðûõ õàðàêòåðíà íèçêàÿ ñêîðîñòü ãîðåíèÿ. Ñïåöèàëüíûé ïîäáîð êîìïîíåíòîâ ñìîë ñíèæàåò èõ âîñïëàìåíÿåìîñòü è ãîðþ÷åñòü. Òàêèå ñìîëû èñïîëüçóþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ, ñòðîèòåëüíûõ èçäåëèé è â äðóãèõ ñëó÷àÿõ, êîãäà íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü ïîæàðíóþ áåçîïàñíîñòü.
- 17 Ñïåöèàëüíûå ïîëèýôèðíûå ñìîëû
Ñìîëû ýòîé êàòåãîðèè ïðèìåíÿþòñÿ ðåæå. Îäíàêî âñå îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êîìïîçèöèè ñî ñïåöèàëüíî ïîäîáðàííûìè êîìïîíåíòàìè (íàïîëíèòåëÿìè, àêòèâàòîðàìè), êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò èì íàëè÷èå íåêîòîðûõ ñïåöèàëüíûõ ñâîéñòâ, íàïðèìåð, ïîâûøåííóþ òåïëîñòîéêîñòü, îòâåðæäàåìîñòü ïîä äåéñòâèåì óëüòðàôèîëåòîâîãî èëè äðóãîãî èçëó÷åíèÿ è ò. ï. Ìàñøòàáû ïðîèçâîäñòâà ñïåöèàëüíûõ ñìîë ñóùåñòâåííî íèæå, ÷åì äðóãèõ âûäåëåííûõ òèïîâ. Ñîáñòâåííî, èìåííî ýòà ïðè÷èíà ñëóæèò îñíîâîé äëÿ îáúåäèíåíèÿ èõ â îäíó êàòåãîðèþ.
1.2.3
Îñíîâíûå ýëåìåíòû òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà ïîëèýôèðíûõ ñìîë è èçäåëèé èç íèõ
Ïðîöåññ ïðîèçâîäñòâà íåíàñûùåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë îáû÷íî ÿâëÿåòñÿ ïåðèîäè÷åñêèì. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ñîñòàâ èñõîäíîãî ñûðüÿ ìîæåò âàðüèðîâàòüñÿ, ÷òî òðåáóåò ïåðèîäè÷åñêîé ïðèîñòàíîâêè è ïåðåíàñòðîéêè òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñìîëû èñïîëüçóþò õèìè÷åñêèå ðåàêòîðû, â êîòîðûõ ñìåøèâàþò èñõîäíûå êîìïîíåíòû. Ïðîöåññ ïåðåìåøèâàíèÿ è íà÷àëüíûå ñòàäèè ðåàêöèè îáðàçîâàíèÿ ¾ïîëèýôèðà¿ èäóò ïðè íåâûñîêîé òåìïåðàòóðå â àòìîñôåðå èíåðòíûõ ãàçîâ.  êîíöå ïðîöåññà îáðàçîâàíèÿ ïîëèýôèðà òåìïåðàòóðà ïîâûøàåòñÿ äî 190 . . . 220 ◦ C. Ïîñëå äîñòèæåíèÿ òðåáóåìûõ ïîêàçàòåëåé ïîëèýôèð ïåðåìåùàåòñÿ â äðóãîé ðåàêòîð, ãäå èäåò åãî ïåðåìåøèâàíèå ñ àêòèâèðóþùèìè êîìïîíåíòàìè. Îñîáî êîíòðîëèðóåòñÿ òåìïåðàòóðà ïðîöåññà ïåðåìåøèâàíèÿ ñ òåì, ÷òîáû èçáåæàòü íà÷àëà ïîëèìåðèçàöèè äî çàâåðøåíèÿ ïîäãîòîâêè ðåàêöèîííîé ìàññû. Ñ òîé æå öåëüþ â ìàññó ìîãóò ââîäèòüñÿ èíãèáèòîðû âåùåñòâà, çàìåäëÿþùèå õèìè÷åñêóþ ðåàêöèþ. Ïîëíûé öèêë ïðîèçâîäñòâà äëèòñÿ 10 . . . 20 ÷àñîâ. Îïèñàííûé ìåòîä ðåàëèçóåòñÿ êàê ïðîöåññ ðàñïëàâëåíèÿ èëè ðàñòâîðåíèÿ â ïðèñóòñòâèè íåáîëüøîãî êîëè÷åñòâà ðàñòâîðèòåëÿ. Íåïðåðûâíûé ïðîöåññ ïðîèçâîäñòâà ñìîëû ìîæåò áûòü îðãàíèçîâàí ïóòåì ïîñëåäîâàòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ðåàêöèîííîé ìàññû èç îäíîãî ðåàêòîðà â äðóãîé ïî ìåðå ïðîõîæäåíèÿ ýòàïîâ òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà (äëÿ âûäåðæèâàíèÿ ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðíûõ óñëîâèé, íàïðèìåð). Ïîäãîòîâëåííàÿ ñìîëà îòâåðæäàåòñÿ ïðè ââåäåíèè â íåå êîìïîíåíòîâ-èíèöèàòîðîâ. Ïðîöåññ îòâåðæäåíèÿ íà÷èíàåòñÿ ñ íåêîòîðûì çàïàçäûâàíèåì, êîòîðîå ñâÿçàíî ñ ïðåîäîëåíèåì äåéñòâèÿ èíãèáèòîðîâ. Âðåìÿ çàïàçäûâàíèÿ èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ââåäåíèÿ â ñìîëó àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà (ñòåêëîâîëîêíà), âîçìîæíîãî ïåðåìåøèâàíèÿ äëÿ îáåñïå÷åíèÿ îäíîðîäíîñòè è ïåðåìåùåíèÿ â ôîðìó, â êîòîðîé óæå ïðîõîäèò ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè. Èíèöèàòîðû îáû÷íî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âûñîêîàêòèâíûå âåùåñòâà, òàêæå êàê è àêòèâàòîðû. Âçàèìîäåéñòâèå ýòèõ âåùåñòâ ìîæåò ïðèâåñòè ê âîñïëàìåíåíèþ
- 18 èëè âçðûâó ñìåñè, ïîýòîìó ïðè èõ èñïîëüçîâàíèè äîëæåí îñóùåñòâëÿòüñÿ êîíòðîëü çà ñîäåðæàíèåì ýòèõ âåùåñòâ â ñìåñè â èñõîäíîé (íå ðàñòâîðåííîé) ôîðìå. Ïàðàìåòðû ïðîöåññà ïîëèìåðèçàöèè îïðåäåëÿþòñÿ ñîâìåñòíûì âëèÿíèåì àêòèâàòîðà, èíèöèàòîðà è èíãèáèòîðà.  ïðîöåññå ðåàêöèè ñìåñü ïåðåõîäèò â ãåëåîáðàçíîå ñîñòîÿíèå, çàòåì íàñòóïàåò ôàçà îòâåðæäåíèÿ. Äëÿ îòâåðæäåíèÿ ïîëèýôèðíûõ ñìîë ìîæíî èñïîëüçîâàòü áîëüøîå ÷èñëî èíèöèàòîðîâ è àêòèâàòîðîâ, êîòîðûå âûçûâàþò îòâåðæäåíèå ñìîëû â òå÷åíèå ðàçíîãî âðåìåíè (îò ìèíóò äî ñóòîê) è ïðè ðàçíûõ òåìïåðàòóðàõ (ñ íàãðåâàíèåì è áåç íåãî). Ñâîéñòâà êîíå÷íîãî ïðîäóêòà ìîãóò ïðè ýòîì èçìåíÿòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò ïðèìåíÿåìîé êîìáèíàöèè èíèöèàòîðîâ èëè èíèöèàòîðîâ è àêòèâàòîðîâ. Íà ñâîéñòâà êîíå÷íîãî ïðîäóêòà áóäóò âëèÿòü òàêæå óñëîâèÿ ïåðåðàáîòêè, òèï îáîðóäîâàíèÿ, òåìïåðàòóðà è äàâëåíèå ïðè ôîðìîâàíèè.
1.2.4
Ïðîèçâîäñòâî èçäåëèé èç íåíàñûùåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë
Ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå ñïîñîáû ïåðåðàáîòêè ïîëèýôèðíûõ ñìîë. Íàèáîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå íàøëè ñëåäóþùèå: , , , , , . Êàæäûé ìåòîä òðåáóåò ïðèìåíåíèÿ ñïåöèàëüíûõ óñëîâèé îòâåðæäåíèÿ (âðåìÿ, òåìïåðàòóðà, äàâëåíèå). Äëÿ ýòèõ óñëîâèé ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäáèðàåòñÿ ïîäõîäÿùåå ñî÷åòàíèå àêòèâàòîðîâ, èíèöèàòîðîâ è èíãèáèòîðîâ. Äëÿ óëó÷øåíèÿ âíåøíåãî âèäà ïîëó÷åííûõ èçäåëèé, à òàêæå äëÿ óâåëè÷åíèÿ èõ êîððîçèîííîé óñòîé÷èâîñòè, èçíîñîóñòîé÷èâîñòè è äðóãèõ õàðàêòåðèñòèê, ïðèìåíÿþò ïîâåðõíîñòíûå ïîêðûòèÿ è çàùèòíûå ñëîè èç ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ, ñïîñîáíûõ îáåñïå÷èòü òðåáóåìóþ çàùèòó. Ïðè èçãîòîâëåíèè çàùèòíûõ ñëîåâ èñïîëüçóþòñÿ êàê ñèíòåòè÷åñêèå ìàòåðèàëû (äàêðîí, îðëîí, äàéíåëü, íåéëîí è äð.), òàê è íàòóðàëüíûå (õëîïîê, øåðñòü, áóìàãà).
ðó÷íàÿ âûêëàäêà ôîðìîâàíèå èç ïðåäâàðèòåëüíî ïîäãîòîâëåííûõ çàãîòîâîê öåíòðîáåæíîå ëèòüå ïóëòðóçèÿ è íàìîòêà øòàìïîâêà àâòîìàòè÷åñêîå ëèòüå ïîä äàâëåíèåì
Ðó÷íàÿ âûêëàäêà
Ðó÷íàÿ âûêëàäêà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðîñòåéøèé ñïîñîá èñïîëüçîâàíèÿ ñìîë æèäêóþ ñìîëó ñ èíèöèàòîðîì è ñëîÿìè ñòåêëîòêàíè èëè èíîãî àðìèðóþùåãî ìàòåðèàëà ïîìåùàþò â ôîðìó ñ ïîìîùüþ ðó÷íûõ èíñòðóìåíòîâ (êèñòü, âàëèê è ò. ï.), â êîòîðîé ïîäãîòîâëåííàÿ ìàññà íàõîäèòñÿ äî íàñòóïëåíèÿ îòâåðæäåíèÿ. Èíîãäà èñïîëüçóþò òåõíèêó íàïûëåíèÿ ñìîëû âìåñòå ñ èçìåëü÷åííûì ñòåêëîâîëîêíîì íà ïîâåðõíîñòü ôîðìû (øàáëîíà). Äëÿ óäàëåíèÿ ïóçûðüêîâ âîçäóõà íåîòâåðæäåííîå äî êîíöà èçäåëèå ïðîêàòûâàþò âàëèêàìè. Òàêîé ñïîñîá ïîçâîëÿåò èçãîòàâëèâàòü èçäåëèÿ ïðàêòè÷åñêè ëþáîé ôîðìû è ðàçìåðîâ,
- 19 îäíàêî îí ÿâëÿåòñÿ âåñüìà òðóäîåìêèì è ìàëîïðîèçâîäèòåëüíûì. Êðîìå òîãî, òðåáóåòñÿ äîñòàòî÷íî âûñîêèé íàâûê îïåðàòîðîâ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ èçäåëèé òðåáóåìîé òîëùèíû. Ôîðìîâàíèå èçäåëèé èç ïðåäâàðèòåëüíî ïîäãîòîâëåííûõ çàãîòîâîê
Ïðè ýòîì ìåòîäå ñíà÷àëà ôîðìóþòñÿ (ïðåññóþòñÿ) çàãîòîâêè èç ñòåêëîâîëîêíà ñ íåáîëüøèì êîëè÷åñòâîì ñâÿçóþùåãî. Çàòåì ýòè çàãîòîâêè ïîìåùàþòñÿ â ïðåññ-ôîðìó è çàëèâàþòñÿ ñìîëîé. Ïîä äàâëåíèåì ñìîëà ïðîïèòûâàåò ñòåêëîâîëîêíî, âûòåñíÿÿ âîçäóõ è îòâåðæäàåòñÿ. Öåíòðîáåæíîå ëèòüå
Ïðè öåíòðîáåæíîì ëèòüå ñìîëà è àðìèðóþùèé ìàòåðèàë ïîìåùàþòñÿ âî âðàùàþùóþñÿ ëèòüåâóþ ôîðìó, â êîòîðîé ïîä äåéñòâèåì öåíòðîáåæíûõ ñèë ïðèíèìàþò òðåáóåìóþ ôîðìó. Ïðîöåññ ëèòüÿ ìîæåò ñîïðîâîæäàòüñÿ òåðìîîáðàáîòêîé. Ïóëòðóçèÿ è íàìîòêà
 òèõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññàõ â êà÷åñòâå àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà èñïîëüçóåòñÿ . Ñòðåíãà (äðóãîå íàèìåíîâàíèå æãóò) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïó÷îê èç 50 . . . 200 íåïðåðûâíûõ íèòåé (ëåíò), ñîáðàííûõ â åäèíûé êîìïàêòíûé æãóò áåç êðóòêè. Ñòðåíãó ïðîòÿãèâàþò ÷åðåç âàííó ñ èíèöèèðîâàííîé ñìîëîé, à çàòåì ëèáî âûòÿãèâàþò ÷åðåç íàãðåòóþ ôèëüåðó (ïóëòðóçèÿ), ëèáî íàìàòûâàþò íà îïðàâêó. Îòëè÷èòåëüíîé ÷åðòîé èçäåëèé, ïîëó÷åííûõ ïî òàêîé òåõíîëîãèè, ÿâëÿåòñÿ âûñîêàÿ ïðî÷íîñòü. Íàìîòêîé ïîëó÷àþò åìêîñòè, òðóáû è äðóãèå èçäåëèÿ, ðàáîòàþùèå ïîä äàâëåíèåì. Ïóëòðóçèÿ ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ðàçëè÷íûõ êîíñòðóêöèîííûõ ïðîôèëåé è ò. ï. èçäåëèé, èìåþùèõ ñðàâíèòåëüíî ìàññèâíîå ñïëîøíîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå.
ñòðåíãà
Øòàìïîâêà
Øòàìïîâêà ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè êðóïíîãàáàðèòíûõ èçäåëèé, òàêèõ êàê, íàïðèìåð, êóçîâà àâòîìîáèëåé.  êà÷åñòâå èñõîäíîãî ìàòåðèàëà èñïîëüçóåòñÿ ïðåäâàðèòåëüíî ïðèãîòîâëåííàÿ ñìåñü ñìîëû. íàïîëíèòåëÿ, èçìåëü÷åííîãî àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà, èíèöèàòîðà è èíãèáèòîðà, ïðåäîòâðàùàþùåãî ïðåæäåâðåìåííîå îòâåðæäåíèå. Ïîäãîòîâëåííàÿ âÿçêàþ ìàññà ïîìåùàåòñÿ â ãîðÿ÷óþ ôîðìó (øòàìï) è ïîäâåðãàåòñÿ âîçäåéñòâèþ âûñîêîãî äàâëåíèÿ íà êîðîòêîå âðåìÿ (12 ìèíóòû), â òå÷åíèå êîòîðîãî è ïðîèñõîäèò îòâåðæäåíèå.
- 20 Èíîãäà ïðè øòàìïîâêå èñïîëüçóþòñÿ ïðåäâàðèòåëüíî ïîäãîòîâëåííûå ïðåññêîìïîçèöèè â âèäå ïëîñêèõ ëèñòîâ. Ïðè øòàìïîâêå îáû÷íî ïðìåíÿþòñÿ ñìîëû ñ ìàëîé óñàäêîé, ÷òî äåëàåò íåíóæíîé ïîñëåäóþùóþ îáðàáîòêó ïîâåðõíîñòè øòàìïîâàííîãî èçäåëèÿ. Àâòîìàòè÷åñêîå ëèòüå ïîä äàâëåíèåì
Àâòîìàòè÷åñêîå ëèòüå ïîä äàâëåíèåì ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè íåáîëüøèõ èçäåëèé. Ïîëèýôèðíóþ ñìîëó ïëàñòèôèöèðóþò íà òåïëîì áàðàáàíå è ââîäÿò â ãîðÿ÷óþ ôîðìó, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò îòâåðæäåíèå. Çàãðóçêà â ôîðìó è âûåìêà ãîòîâûõ èçäåëèé âûïîëíÿþòñÿ àâòîìàòè÷åñêè, ÷òî äåëàåò ïðîöåññ âåñüìà âûñîêîïðîèçâîäèòåëüíûì.
1.2.5
Ñâîéñòâà îòâåðæäåííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë
Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëèýôèðíûõ ñìîë âàðüèðóþòñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ âñëåäñòâèå ðàçëè÷èé â òåõíîëîãèÿõ èõ èçãîòîâëåíèÿ è ñâîéñòâ èñïîëüçóåìûõ êîìïîíåíòîâ. Òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ïîëèýôèðíûõ ñìîë îáùåãî íàçíà÷åíèÿ ïðèâåäåíû â òàáë. 1.1. Òàáëèöà 1.1. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ëèòûõ è àðìèðîâàííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë ñìîëà ñìîëà + ñòåêëîòêàíü
ρ, êã/ì3 11001460 15002100
σò , ÌÏà 60160 280550
σb− , ÌÏà 90200 170340
σb+ , ÌÏà 4090 200340
εmax ,% 5,0 0,52,0
E + , ÃÏà 4044 100300
Èñïîëüçîâàíèå àðìèðóþùèõ íàïîëíèòåëåé ñóùåñòâåííî ìåíÿåò çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê.  êà÷åñòâå ïðèìåðà â òàáë. 1.1 ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ïîëèýôèðíîé ñìîëû, àðìèðîâàííîé ñòåêëîòêàíüþ. Ïîìèìî àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ â ïîëèýôèðíûå ñìîëû ÷àñòî ââîäÿò äðóãèå íàïîëíèòåëè. Îäíà èç îñíîâíûõ ïðè÷èí äëÿ ýòîãî æåëàíèå ñíèçèòü ñòîèìîñòü ãîòîâûõ èçäåëèé. Êðîìå ýòîãî, íàïîëíèòåëè ïîçâîëÿþò âëèÿòü íà ïàðàìåòðû ïðîöåññà îòâåðæäåíèÿ, ñïîñîáñòâóþò ñíèæåíèþ ñòåïåíè óñàäêè è âåðîÿòíîñòè îáðàçîâàíèÿ òðåùèí ïðè îòâåðæäåíèè, ïîâûøàþò êà÷åñòâî ïîâåðõíîñòåé. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå íàïîëíèòåëè ãëèíû è êàðáîíàòû. Ìàñ-
- 21 ñîâàÿ äîëÿ íàïîëíèòåëÿ êîëåáëåòñÿ â ïðåäåëàõ 1070 % (÷àùå âñåãî 2030 %). Ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ è äðóãèå âèäû íàïîëíèòåëåé êðàñèòåëè è ïèãìåíòû (ñëàáî âëèÿþò íà ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè, ïîçâîëÿþò óïðàâëÿòü âðåìåííûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ïðîöåññà îòâåðæäåíèÿ), èíãèáèòîðû ãîðåíèÿ (ïîâûøàþò îãíåñòîéêîñòü), ïîãëîòèòåëè ÓÔ-èçëó÷åíèÿ è äð. Îñíîâíûå äîñòîèíñòâà àðìèðîâàííûõ ïîëèýôèðíûõ ñìîë: óäåëüíàÿ ïðî÷íîñòü âûøå, ÷åì ó ìíîãèõ äðóãèõ ìàòåðèàëîâ; íèçêàÿ ñòîèìîñòü ñûðüÿ è ïðîèçâîäñòâà, ïðîñòûå òåõíîëîãèè; âîçìîæíîñòü èçãîòîâëåíèÿ êðóïíîãàáàðèòíûõ èçäåëèé ñëîæíîé ôîðìû, ÷òî óïðîùàåò êîíñòðóèðîâàíèå è ñáîðêó èçäåëèé. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ïîëèýôèðíûõ ñìîë äëÿ èçãîòîâëåíèÿ êîìïîçèòîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ðÿä ôàêòîðîâ, ñðåäè êîòîðûõ ìîæíî âûäåëèòü ñëåäóþùèå: çàâèñèìîñòü ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êîìïîçèòà îò ñîäåðæàíèÿ è îðèåíòàöèè àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ (ñòåêëîâîëîêíà), à òàêæå íàëè÷èÿ íåêîòîðûõ íàïîëíèòåëåé; ïðîáëåìû, ñâÿçàííûå ñ óñòàëîñòüþ ìàòåðèàëà, óñòîé÷èâîñòüþ ê èñòèðàíèþ, âîçäåéñòâèþ ðàñòâîðèòåëåé è õèìèêàòîâ, ñïîñîáíîñòüþ íåêîòîðûõ òèïîâ àðìèðóþùèõ íàïîëíèòåëåé (ñòåêëîâîëîêîííûå æãóòû) âïèòûâàòü âëàãó è äð. 1.3
Äðóãèå âèäû ñìîë, èñïîëüçóåìûå ïðè ïðîèçâîäñòâå ÊÌ
1.3.1
Ñìîëû íà îñíîâå äèýôèðîâ âèíèëêàðáîíîâûõ êèñëîò (ÄÂÊ)
Äàííûé âèä ñìîë î÷åíü ïîõîæ íà ïîëèýôèðíûå ñìîëû. Îñíîâíàÿ öåïü ìàêðîìîëåêóë òàêèõ ñìîë ñîñòîèò èç ýïîêñèäíûõ, ïîëèýôèðíûõ ëèáî ïîëèóðåòàíîâûõ ñåãìåíòîâ. Îòëè÷èå îò ïîëèýôèðíûõ ñìîë çàêëþ÷àåòñÿ â õèìè÷åñêîì ñîñòàâå êîíöåâûõ ýëåìåíòîâ ìàêðîìîëåêóë. Âèä ýòèõ ýëåìåíòîâ âëèÿåò íà ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà è îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ñìîë. Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ ñìîë ÿâëÿåòñÿ çàâèñèìîñòü èõ ñâîéñòâ îò âåëè÷èíû ýïîêñèäíûõ áëîêîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ ìàêðîìîëåêóë ÷åì áîëüøå ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà òàêèõ áëîêîâ, òåì âûøå ïðî÷íîñòü è ýëàñòè÷íîñòü ñìîëû, íî òåì íèæå åå òåïëîñòîéêîñòü è óñòîé÷èâîñòü ê äåéñòâèþ ðàñòâîðèòåëåé. Òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñìîë íà îñíîâå ÄÂÊ ïðèâåäåíû â òàáë. 1.2. Ñìîëû îáëàäàþò âûñîêîé ðåàêöèîííîé ñïîñîáíîñòüþ, ïîýòîìó äëÿ èõ îòâåðæäåíèÿ óäîáíî èñïîëüçîâàòü ìåòîäû îáëó÷åíèÿ. ÄÂÊ-ñìîëû ýôôåêòèâíî
- 22 -
Òàáëèöà 1.2. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ÄÂÊ-ñìîë ëèòàÿ ñìîëà
ρ, êã/ì3 10001200
σbè , ÌÏà 130
σb+ , ÌÏà ∼ 80
εmax ,% 4.55.5
E + , ÃÏà 3.03.5
îòâåðæäàþòñÿ ïðè ðàäèàöèîííîì îáëó÷åíèè, îáëó÷åíèè ýëåêòðîííûìè ïó÷êàìè è äðóãèìè èñòî÷íèêàìè èçëó÷åíèÿ. ×àñòî èñïîëüçóåòñÿ îòâåðæäåíèå ïîä äåéñòâèåì ÓÔ-èçëó÷åíèÿ, âðåìÿ îòâåðæäåíèÿ ïðè ýòîì ìîæåò áûòü î÷åíü ìàëûì ïîðÿäêà 0,1 ñåê. Ïðåèìóùåñòâà îòâåðæäåíèÿ ïîä äåéñòâèåì èçëó÷åíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ òåðìè÷åñêèìè ìåòîäàìè: âûñîêàÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü, ñíèæåíèå (èëè ïîëíîå èñêëþ÷åíèå) èñïàðåíèÿ êîìïîíåíòîâ, âûñîêàÿ ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ïðîöåññà, îòâåðæäåíèå ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå, íèçêàÿ ñòîèìîñòü îáîðóäîâàíèÿ. ÄÂÊ ïåðåðàáàòûâàþò â îñíîâíîì â àðìèðîâàííûå ñòåêëîâîëîêíîì ïëàñòèêè. Ìåòîäû ïåðåðàáîòêè: ðó÷íàÿ óêëàäêà, íàìîòêà, öåíòðîáåæíîå ëèòüå, ôîðìîâàíèå ïîä äàâëåíèåì, ïóëòðóçèÿ. ×àñòî èñïîëüçóþòñÿ ïîëóôàáðèêàòû (ïðåïðåãè) íà îñíîâå ÄÂÊ äëÿ îáúåìíîãî ôîðìîâàíèÿ.Òàêèå ñìîëû ïîñëå îòâåðæäåíèÿ ìîãóò ïðèîáðåòàòü âûñîêóþ óñòîé÷èâîñòü ê âîçäåéñòâèþ êèñëîò, ùåëî÷åé è ðàñòâîðèòåëåé. Ýòî îáóñëàâëèâàåò øèðîêîå ïðèìåíåíèå èçäåëèé èç ÊÌ íà îñíîâå ÄÂÊ â õèìè÷åñêîé, íåôòÿíîé, ïèùåâîé, ãîðíîé ïðîìûøëåííîñòè è â äðóãèõ îáëàñòÿõ, ãäå òðåáóåòñÿ îáîðóäîâàíèå ñ âûñîêîé êîððîçèîííîé ñòîéêîñòüþ. Êàê è â ñëó÷àå ïîëèýôèðíûõ ñìîë, ïðè ðàáîòå ñ ÄÂÊ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ íàïîëíèòåëè: èíèöèàòîðû, ïèãìåíòû, çàãóñòèòåëè è ò. ä.
Ïðåïðåã (pre-preg) êîìïàóíä, ñîñòîÿùèé èç òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî, íàïîëíåííîãî âîëîêíèñòûì íàïîëíèòåëåì.  çàâèñèìîñòè îò âèäà àðìèðóþùåãî ìàòåðèàëà ðàçëè÷àþò ïðåïðåãè íà îñíîâå: òêàíåé è áóìàã, ìàòîâ èç ðóáëåíîãî âîëîêíà, à òàêæå îðèåíòèðîâàííûõ íèòåé, æãóòîâ è ëåíò. 1.3.2
Ïîëèáóòàäèåíîâûå ñìîëû
Ïîëèáóòàäèåíîâûå ñìîëû ýòî âûñîêîìîëåêóëÿðíûå óãëåâîäîðîäíûå òåðìîðåàêòèâíûå ñìîëû. Îñîáåííîñòüþ òåõíîëîãèè ïðèãîòîâëåíèÿ ïîëèáóòàäèåíîâûõ ñìîë ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå íà êîíöàõ ìàêðîìîëåêóë ðåàêöèîííî-ñïîñîáíûõ ãðóïï. Ýòè ãðóïïû ïðèäàþò ìàêðîìîëåêóëàì ñïîñîáíîñòü íàðàùèâàòü ñâîþ ìàññó åùå äî íà÷àëà ïðîöåññà îòâåðæäåíèÿ. Ñïîñîáíîñòü ê óâåëè÷åíèþ äëèíû öåïè ìàêðîìîëåêóëû ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ïîëèáóòàäèåíîâûå ñìîëû ïðè èçãîòîâëåíèè ïîêðûòèé, êëååâ, çàëèâî÷íûõ êîìïàóíäîâ è ò. ï.
- 23 Ïðîöåññ îòâåðæäåíèÿ ïîëèáóòàäèåíîâûõ ñìîë ïðîõîäèò ïðàêòè÷åñêè òàê æå, êàê è ó ïîëèýôèðíûõ ñìîë. Îòìå÷àþòñÿ òðè ñòàäèè ïðîöåññà: íèçêîòåìïåðàòóðíîå ãåëåîáðàçîâàíèå, âûñîêîòåìïåðàòóðíîå îòâåðæäåíèå (∼ 120 ◦ C) è òåðìè÷åñêàÿ öèêëèçàöèÿ, ò. å., îáðàçîâàíèå ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû ïîëèìåðà (∼ 230 ◦ C). Ïðîöåññ îòâåðæäåíèÿ èäåò ñ áîëüøèì âûäåëåíèåì òåïëà, ïîýòîìó îáÿçàòåëüíûì ÿâëÿåòñÿ êîíòðîëü çà ñîäåðæàíèåì èíèöèàòîðà, êîòîðîå îáû÷íî ñîñòàâëÿåò 1 . . . 2 %. Ïðîöåññ îòâåðæäåíèÿ ïðè ýòîì çàíèìàåò îêîëî 2-õ ÷àñîâ. Ïîëèáóòàäèåíîâûå ñìîëû îòëè÷àþòñÿ î÷åíü õîðîøèìè ýëåêòðè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è õèìè÷åñêîé ñòîéêîñòüþ, à òàêæå óñòîé÷èâîñòüþ ê âîçäåéñòâèþ âëàãè. Òàêîå ñî÷åòàíèå ñâîéñòâ ïîçâîëÿåò óñïåøíî ïðèìåíÿòü ÏÁ-ñìîëû ïðè èçãîòîâëåíèè îáòåêàòåëåé àâèàöèîííûõ áîðòîâûõ ðàäèîëîêàöèîííûõ àíòåíí, äëÿ êîòîðûõ îñîáûå òðåáîâàíèÿ ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê òîëùèíå, äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè è óñòîé÷èâîñòè ê âîçäåéñòâèþ îêðóæàþùåé ñðåäû â ñèëüíûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëÿõ.  òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà íåò îñîáûõ òðåáîâàíèé ïî ýëåêòðè÷åñêèì ñâîéñòâàì, ïðèìåíåíèå ïîëèáóòàäèåíîâûõ ñìîë îêàçûâàåòñÿ íå ñòîëü âûãîäíûì, ïîñêîëüêó èõ ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà óñòóïàþò äðóãèì àíàëîãè÷íûì ìàòåðèàëàì.
1.3.3
Ýïîêñèäíûå ñìîëû
Ýïîêñèäíûå ñìîëû ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç ëó÷øèõ âèäîâ ñâÿçóþùåãî äëÿ áîëüøîãî ÷èñëà âîëîêíèñòûõ ÊÌ. Îñíîâíûå ïðè÷èíû ýòîãî çàêëþ÷àþòñÿ â ñëåäóþùåì: ýïîêñèäíûå ñìîëû îáëàäàþò õîðîøåé àäãåçèåé ê áîëüøîìó ÷èñëó íàïîëíèòåëåé è àðìèðóþùèõ êîìïîíåíòîâ; èçâåñòíî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ðàçíîâèäíîñòåé äîñòóïíûõ ýïîêñèäíûõ ñìîë è îòâåðæäàþùèõ êîìïîíåíòîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ìàòåðèàëû ñ øèðîêèì ñî÷åòàíèåì ñâîéñòâ; ðåàêöèÿ îòâåðæäåíèÿ íå ñîïðîâîæäàåòñÿ âûäåëåíèåì âîäû èëè êàêèõëèáî ëåòó÷èõ âåùåñòâ, ïðè ýòîì óñàäêà ñìîë íèæå, ÷åì âî ìíîãèõ äðóãèõ ñëó÷àÿõ; îòâåðæäåííûå ñìîëû îáëàäàþò âûñîêîé õèìè÷åñêîé ñòîéêîñòüþ è õîðîøèìè ýëåêòðîèçîëÿöèîííûìè ñâîéñòâàìè. Íàçâàíèå ¾ýïîêñèäíàÿ¿ îçíà÷àåò, ÷òî â ñîñòàâå ìîëåêóëû èìååòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ , âêëþ÷àþùàÿ àòîì êèñëîðîäà è äâà àòîìà óãëåðîäà (ðèñ. 1.5). Ýïîêñèäíûå ñìîëû ïðèìåíÿþò êàê â ïðîèçâîäñòâå ÊÌ, òàê è â êà÷åñòâå ãåðìåòèçèðóþùèõ ìàòåðèàëîâ, ïðåññ-ïîðîøêîâ è êëååâ. Ñìîëû îáëàäàþò âûñîêîé óñòîé÷èâîñòüþ ê âîçäåéñòâèþ âûñîêèõ òåìïåðàòóð è âëàãè, ÷òî ïîçâîëÿ-
ýïîêñèãðóïïà
- 24 -
O C
C
Ðèñ. 1.5. Ýïîêñèãðóïïà åò èñïîëüçîâàòü èõ äëÿ çàùèòû èçäåëèé îò âîçäåéñòâèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû. Âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîçâîëÿþò ïðèìåíÿòü ýïîêñèäíûå ñìîëû ïðè èçãîòîâëåíèè îñíàñòêè (íàïðèìåð, ïðåññ-ôîðì). Õîðîøàÿ àäãåçèÿ ïîçâîëÿåò ââîäèòü â ýïîêñèäíûå ñìîëû ðàçëè÷íûå íàïîëíèòåëè ïðè ïîëó÷åíèè ÊÌ, à òàêæå èñïîëüçîâàòü èõ ïðè ñîåäèíåíèè ðàçíîðîäíûõ ìàòåðèàëîâ. Ýïîêñèäíûå ñìîëû øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè êîíñòðóêöèîííûõ äåòàëåé â âèäå êîìïîíåíòîâ ñëîèñòûõ ïëàñòèêîâ èëè âîëîêíèñòî-íàìîòî÷íûõ ìàòåðèàëîâ. Ýòè èçäåëèÿ ïðèìåíÿþòñÿ â àâèà- è ðàêåòîñòðîåíèè, â ýëåêòðîííîé ïðîìûøëåííîñòè. Òðóáû è åìêîñòè èç êîìïîçèòîâ íà îñíîâå ýïîêñèäíûõ ñìîë ïðèìåíÿþò â õèìè÷åñêîé è íåôòÿíîé ïðîìûøëåííîñòè.
Ïðåññ-ïîðîøîê (molding powder) ãðàíóëèðîâàííûé ïëàñòè÷åñêèé ìàòåðèàë, âêëþ÷àþùèé ñìîëó, íàïîëíèòåëü, ïèãìåíòû, ïëàñòèôèêàòîðû è äðóãèå êîìïîíåíòû, ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ ôîðìîâàíèÿ ëèòåéíûõ èçäåëèé èç ïëàñòìàññ. Òèïè÷íûå ñâîéñòâà îòëèâîê èç íåíàïîëíåííûõ ýïîêñèäíûõ ñìîë ïðèâåäåíû â òàáë. 1.3. Òàáëèöà 1.3. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýïîêñèäíûõ ñìîë ëèòàÿ ñìîëà
ρ, êã/ì3 12001300
σbè , ÌÏà 125
σb+ , ÌÏà 55130
εmax ,% 2.05.0
E + , ÃÏà 2.84.2
Èçäåëèÿ èç ýïîêñèäíûõ ñìîë îòëè÷àåò ïîâûøåííàÿ ñòîèìîñòü ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè ñìîëàìè, íî âûñîêèå ýêñïëóàòàöèîííûå ñâîéñòâà èçäåëèé èç òàêèõ ñìîë îêóïàþò ðàñõîäû íà ñûðüå.
1.3.4
Òåðìîñòîéêèå ñìîëû
Òåðìîñòîéêèå ñìîëû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïîëèìåðû, èìåþùèå âûñîêóþ òåìïåðàòóðó ñòåêëîâàíèÿ è ñïîñîáíûå âûäåðæàòü íà âîçäóõå ïðîäîëæèòåëüíûé íàãðåâ ñâûøå 300 ◦ C áåç ñóùåñòâåííûõ èçìåíåíèé ñòðóêòóðû. Ïðè ýòèõ óñëî-
- 25 âèÿõ â ïîëèìåðàõ èäåò ïðîöåññ ðàçðóøåíèÿ (òåðìîîêèñëèòåëüíàÿ äåñòðóêöèÿ), íî ñêîðîñòü åãî íåâåëèêà. Ïðîÿâëåíèþ òàêèõ ñâîéñòâ ñïîñîáñòâóåò ìàëîå ñîäåðæàíèå àòîìîâ âîäîðîäà â ìàêðîìîëåêóëàõ ïîëèìåðîâ, êîòîðûå áîëüøå âñåãî ïîäâåðæåíû îêèñëåíèþ. Ìíîãèå ïîëèìåðû, îáëàäàþùèå ñâîéñòâîì òåðìîñòîéêîñòè, ïëîõî ïîääàþòñÿ ïåðåðàáîòêå, íåîáõîäèìîé ïðè ïðîèçâîäñòâå êîìïîçèòíûõ ìàòåðèàëîâ. Ëèøü ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè òèïàìè ñìîë áûëè ðàçðàáîòàíû òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ òåðìîñòîéêèõ ñìîë, ïðèãîäíûõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ñâÿçóþùåãî ïðè èçãîòîâëåíèè êîìïîçèòîâ. Âñå ýòè ñìîëû îòíîñÿòñÿ ê ïîëèèìèäíûì ìàòåðèàëàì.
Ïîëèèìèä (polyimid) ïîëèìåð, ñîäåðæàùèé öèêëè÷åñêóþ èìèäíóþ ãðóïïó, â ñîñòàâ êîòîðîé âõîäÿò àòîìû êèñëîðîäà, àçîòà, óãëåðîäà.
Ïî õàðàêòåðó ïðîöåññà ïîëó÷åíèÿ âûäåëÿþò êîíäåíñàöèîííûå è àääèòèâíûå ïîëèèìèäû. Ðåàêöèè ïîëó÷åíèÿ êîíäåíñàöèîííûõ ïîëèèìèäîâ ïðîòåêàþò ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå ñ âûäåëåíèåì âîäû è ñïèðòîâ è èäóò â ïðèñóòñòâèè ðàñòâîðèòåëåé, êîòîðûå äîëæíû óäàëÿòüñÿ èç ðàñòâîðà. Âûäåëåíèå ïðîäóêòîâ ðåàêöèè è ïîñòîÿííîå èñïàðåíèå êîìïîíåíòîâ âåäåò ê îáðàçîâàíèþ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ïóñòîò â ñìîëå. Âûñîêàÿ âÿçêîñòü ñìîëû è íàëè÷èå ïîð (äî 5 %) óõóäøàþò ìåõàíè÷åñêèå è òåðìîîêèñëèòåëüíûå ñâîéñòâà ñâÿçóþùåãî. Àääèòèâíûå ïîëèèìèäû îòâåðæäàþòñÿ áåç âûäåëåíèÿ ëåòó÷èõ ñîåäèíåíèé, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîðèñòîñòü ñâÿçóþùåãî çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ. Îäíàêî ïðåäâàðèòåëüíûå ñòàäèè ïðîöåññà ïîëó÷åíèÿ àääèòèâíûõ ïîëèèìèäîâ âñå ðàâíî òðåáóþò èñïîëüçîâàíèÿ âûñîêèõ òåìïåðàòóð è ïðèñóòñòâèÿ ðàñòâîðèòåëåé, ÷òî ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ ïîð. Íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíîé îêàçàëàñü òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ ïîëèèìèäîâ, ïðè êîòîðîé ïîëèìåð îáðàçóåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â ôîðìàõ, ãäå èäåò âûêëàäêà áóäóùåãî èçäåëèÿ èç ÊÌ. Àðìèðóþùèé íàïîëíèòåëü, óëîæåííûé â ôîðìó, ïðîïèòûâàåòñÿ ìîíîìåðàìè, ðàñòâîðåííûìè ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå. Ðåàêöèÿ ïîëèìåðèçàöèè íà÷èíàåòñÿ ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû. Ïîëèèìèäíûå ñìîëû îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé ñòàáèëüíîñòüþ ñâîèõ ñâîéñòâ, â òîì ÷èñëå ïîñëå äëèòåëüíîãî ïðåáûâàíèÿ ïîä äåéñòâèåì âûñîêèõ òåìïåðàòóð. Èñïûòàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ñìîë ñîõðàíÿþòñÿ ïîñëå âûäåðæèâàíèÿ îáðàçöîâ ïðè òåìïåðàòóðå ∼ 370 ◦ C íà âîçäóõå â òå÷åíèå ïðèìåðíî 5 ñóòîê, â êèïÿùåé âîäå äî 2-õ íåäåëü. Òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ïîëèèìèäíûõ ñìîë ïðèâåäåíû â òàáë. 1.4. Ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå (∼ 260 ◦ C) ìîäóëü óïðóãîñòè óìåíüøàåòñÿ ïðèìåðíî â 2 ðàçà, à óäëèíåíèå ìîæåò äîñòèãàòü 60 %. Ïîëèèìèäíûå ñìîëû â îñíîâíîì èñïîëüçóþò ïðè èçãîòîâëåíèè ïðåïðåãîâ. Èìè ÷àùå âñåãî ïðîïèòûâàþò òêàíûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå âîëîêîí èç ñòåêëà, êâàðöà ëèáî óãëåðîäíûõ âîëîêîí. Øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ äâå òåõíîëîãèè ïðîèç-
- 26 -
Òàáëèöà 1.4. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïîëèèìèäíûõ ñìîë ëèòàÿ ñìîëà
ρ, êã/ì3 14001500
σbè , ÌÏà 100
σb+ , ÌÏà 110
εmax ,% 8.0
E + , ÃÏà 3.64.0
âîäñòâà ÊÌ íà îñíîâå ïîëèèìèäíûõ ñìîë: ïðåññîâàíèå ïîä âûñîêèì äàâëåíèåì (ïðÿìîå ïðåññîâàíèå) è ôîðìîâàíèå ïîä íèçêèì äàâëåíèåì (àâòîêëàâíîå ôîðìîâàíèå). Îòâåðæäåíèå ñìîëû ïðîèñõîäèò â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 275 . . . 350 ◦ C, îäíàêî íà ïðàêòèêå òåìïåðàòóðà íå ïðåâûøàåò 316 ◦ C. Âðåìÿ îòâåðæäåíèÿ ñîñòàâëÿåò 1 . . . 2 ÷àñà ñ ïîñëåäóþùåé âûäåðæêîé â òå÷åíèå 4 . . . 16 ÷àñîâ ïðè òåìïåðàòóðå îòâåðæäåíèÿ. Ïðè ïðÿìîì ïðåññîâàíèè ïðèìåíÿåòñÿ áûñòðîå (ñî ñêîðîñòüþ 5 . . . 10 ◦ C/ìèí) íàãðåâàíèå ïðè âåëè÷èíå äàâëåíèÿ 37 ÌÏà. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàòåðèàëîâ, íå ñîäåðæàùèõ ïîð, ïðèìåíÿåòñÿ ôîðìîâàíèå â àâòîêëàâå ïðè ìåäëåííîì (ñî ñêîðîñòüþ 2 . . . 4 ◦ C/ìèí) íàãðåâàíèè è äàâëåíèè äî 1, 5 ÌÏà. Êîìïîçèòû íà îñíîâå ïîëèèìèäíûõ ñìîë èìåþò ðàçëè÷íîå ïðèìåíåíèå. Ìàòåðèàëû íà îñíîâå êîíäåíñàöèîííûõ ïîëèèìèäîâ, îáëàäàþùèå âûñîêîé ïîðèñòîñòüþ, ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè íå ñëèøêîì îòâåòñòâåííûõ ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèé, íàïðèìåð, çâóêîèçîëÿöèîííûõ ïàíåëåé è îáòåêàòåëåé. Àääèòèâíûå ïîëèèìèäû ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè òàêèõ êîíñòðóêöèîííûõ ýëåìåíòîâ, êàê îáòåêàòåëè, âîçäóõîâîäû, çàùèòíûå ýêðàíû, ëîïàòêè êîìïðåññîðîâ. Ïîêàçàòåëüíûå ïðèìåðû ïðèìåíåíèÿ òàêèõ ìàòåðèàëîâ èñïîëüçîâàíèå èõ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ çàêðûëêîâ àýðîêîñèì÷åñêèõ êîðàáëåé òèïà ¾Øàòòë¿ è ýëåìåíòîâ ýëåêòðîèçîëÿöèè óñòàíîâîê äëÿ ïîëó÷åíèÿ è èññëåäîâàíèÿ ïëàçìû ¾Òîêàìàê¿. 1.4
Ìåòàëëè÷åñêèå ìàòðèöû
Ñâÿçóþùèå èç ïîëèìåðîâ íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïðè ñîçäàíèè ÊÌ, îäíàêî îíè èìåþò ðÿä íåäîñòàòêîâ, îñíîâíûìè ñðåäè êîòîðûõ ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå: íèçêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòðèöû ñäâèãó; îòíîñèòåëüíî íåâûñîêàÿ ïðî÷íîñòü ñâÿçè ìàòðèöû è àðìèðóþùèõ âîëîêîí; íåâîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ â óñëîâèÿõ äåéñòâèÿ òåìïåðàòóð, ïðåâûøàþùèõ òåìïåðàòóðó òåðìè÷åñêîé äåñòðóêöèè ïîëèìåðà; íèçêîå ñîïðîòèâëåíèå ýðîçèè ïðè âîçäåéñòâèè ãàçîâûõ ïîòîêîâ è äðóãèå.
- 27 Ýòè íåäîñòàòêè ïîñëóæèëè ïðè÷èíîé äëÿ ïîèñêà âîçìîæíîñòåé èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ñâÿçóþùåãî êîìïîíåíòà êîìïîçèòà ìåòàëëîâ è èõ ñïëàâîâ. Èñïîëüçîâàíèå ìåòàëëîâ â êà÷åñòâå ìàòðèö ÊÌ îñëîæíÿåòñÿ ïî äâóì ïðè÷èíàì. Ïåðâàÿ ñâÿçàíà ñ áîëåå ñèëüíûì ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîëèìåðàìè ðåàêöèîííûì âçàèìîäåéñòâèåì ìåòàëëîâ ñ ìàòåðèàëîì âîëîêîí. Âòîðàÿ ïðè÷èíà îáóñëîâëåíà áîëüøèì ðàçëè÷èåì ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ êîìïîíåíòîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ êîìïîçèòà ñ ìåòàëëè÷åñêîé ìàòðèöåé. Ïðîèçâîäñòâî êîìïîçèòîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö îñëîæíÿåòñÿ òàêæå âûñîêèì ñîïðîòèâëåíèåì äåôîðìèðîâàíèþ, êîòîðîå ñâîéñòâåííî äëÿ ìåòàëëîâ â òâåðäîôàçíîì ñîñòîÿíèè. Òåìïåðàòóðà èçãîòîâëåíèÿ ÊÌ ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè îáû÷íî çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì â ñëó÷àå ìàòðèö èç ïîëèìåðîâ. Ïîýòîìó âîçíèêàþò ïðîáëåìû õèìè÷åñêîé è òåðìîìåõàíè÷åñêîé ñîâìåñòèìîñòè êîìïîíåíòîâ êîìïîçèòà. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ïóòåé åå ðåøåíèÿ: 1) èñïîëüçîâàíèå íèçêîòåìïåðàòóðíûõ òåõíîëîãèé êîìïàêòèðîâàíèÿ ÊÌ; 2) ïðèìåíåíèå òåðìîäèíàìè÷åñêè è õèìè÷åñêè ñòîéêèõ áàðüåðíûõ ñëîåâ ìåæäó êîìïîíåíòàìè â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà íå óäàåòñÿ ïîäîáðàòü êîìïîíåíòû, êîòîðûå îáëàäàþò âçàèìíîé òåðìîäèíàìè÷åñêîé ñòàáèëüíîñòüþ; 3) âûáîð êîìïîíåíòîâ ïî âîçìîæíîñòè ñ ìåíüøåé ðàçíèöåé êîýôôèöèåíòîâ òåðìè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ; 4) èñïîëüçîâàíèå äëÿ ìàòðèö ñïëàâîâ, ñïîñîáíûõ äåôîðìèðîâàòüñÿ ïëàñòè÷åñêè, ÷òî îáåñïå÷èâàåò âîçìîæíîñòü ðåëàêñàöèè íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ ïðè êîìïàêòèðîâàíèè ìàòåðèàëà èëè ïîñëåäóþùèõ ïåðåäåëàõ è ýêñïëóàòàöèè. Ïðè âûáîðå ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ ÊÌ íà îñíîâå ìåòàëëè÷åñêîé ìàòðèöû è îïòèìèçàöèè òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ òàêîãî ïðîöåññà ñëåäóåò ó÷èòûâàòü íåîáõîäèìîñòü âûïîëíåíèÿ ñëåäóþùèõ óñëîâèé: ïîëíîå óïëîòíåíèå ÊÌ ñ ðàâíîìåðíûì ðàñïðåäåëåíèåì âîëîêîí â ìàòðèöå; îáðàçîâàíèå ïðî÷íîé ñâÿçè ìåæäó êîìïîíåíòàìè; îãðàíè÷åíèå ðàçâèòèÿ õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó êîìïîíåíòàìè, êîòîðîå ìîæåò ïðèâîäèòü ê îáðàçîâàíèþ õðóïêèõ ïðîìåæóòî÷íûõ ôàç íà ãðàíèöàõ êîíòàêòà âîëîêîí è ìàòðèöû ÊÌ; ïðåäóïðåæäåíèå äðîáëåíèÿ âîëîêîí; ïðîñòîòó è òåõíîëîãè÷íîñòü êîíñòðóêöèè è ò. ä. Íåñìîòðÿ íà âñå ñëîæíîñòè, ñâÿçàííûå ñ ñîçäàíèåì ÊÌ íà îñíîâå ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö, òàêèå ìàòåðèàëû ñî÷åòàþò â ñåáå äîñòîèíñòâà ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñ äîñòîèíñòâàìè êîìïîçèòîâ êàê òàêîâûõ. Çà÷àñòóþ ìåòàëëîêîìïîçèòû ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèöèé èç òàêèõ ìåòàëëîâ, êîòîðûå íå ðàñòâîðÿþòñÿ äðóã â äðóãå, ÷òî ïðåïÿòñòâóåò ïîëó÷åíèþ, íàïðèìåð, ñïëàâîâ ñ
- 28 òðåáóåìûìè ñâîéñòâàìè òðàäèöèîííûìè ìåòîäàìè ìåòàëëóðãèè. Ìåòàëëîêîìïîçèòû èìåþò ðÿä ñóùåñòâåííûõ ïðåèìóùåñòâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ÊÌ íà îñíîâå ìàòðèö èç ïîëèìåðîâ: âûñîêàÿ óäåëüíàÿ ïðî÷íîñòü, æåñòêîñòü è âÿçêîñòü ðàçðóøåíèÿ; ìàëàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê èçìåíåíèÿì òåìïåðàòóðû, âëàæíîñòè è äðóãèõ ïàðàìåòðîâ âíåøíåé ñðåäû; âûñîêèå äåìïôèðóþùèå ñâîéñòâà; âûñîêèå ýëåêòðî- è òåïëîïðîâîäíîñòü; âûñîêàÿ ñòîéêîñòü ïðîòèâ ýðîçèè è êîððîçèè; âûñîêàÿ òåõíîëîãè÷íîñòü ïðè îáðàáîòêå è ñîåäèíåíèè èçäåëèé; õîðîøàÿ âîñïðîèçâîäèìîñòü ñâîéñòâ.
1.4.1
Îñíîâû òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ
Òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòîâ ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè ïîñòðîåíû â îñíîâíîì íà èñïîëüçîâàíèè . Ïðåïðåãè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îäíîñëîéíûå ëåíòû ðàçëè÷íûõ ðàçìåðîâ ñ îäíèì ðÿäîì àðìèðóþùèõ âîëîêîí èëè òêàíè, ïðîïèòàííûõ èëè ïîêðûòûõ ìàòðè÷íûì ìåòàëëîì (ñïëàâîì) ñ îäíîé èëè îáåèõ ñòîðîí. Èñïîëüçóþòñÿ òàêæå æãóòû âîëîêîí, ïðîïèòàííûå ìåòàëëîì, è èíäèâèäóàëüíûå âîëîêíà, ïîêðûòûå ìàòðè÷íûì ìåòàëëîì, ñïëàâîì èëè åãî êîìïîíåíòàìè. Âïîñëåäñòâèè ïðåïðåãè èñïîëüçóþò äëÿ ïîëó÷åíèÿ êîìïàêòíûõ çàãîòîâîê: ëèñòîâ, ïîëîñ: ïëèò, òðóá è ò. ï., êîòîðûå ïîäâåðãàþòñÿ ïðîöåññàì ôîðìîîáðàçîâàíèÿ, ðàñêðîÿ, ñâàðêè, ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ýòàïû êîìïàêòèðîâàíèÿ è ôîðìîîáðàçîâàíèÿ ñîâìåùàþòñÿ òàêèå ïðîöåññû èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé ñ÷èòàþòñÿ îäíîñòàäèéíûìè. Ïðåïðåãè ìîãóò èçãîòàâëèâàòüñÿ ñ ïîìîùüþ ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ íàíåñåíèÿ ìåòàëëà íà àðìèðóþùèå ýëåìåíòû: ïëàçìåííîãî íàïûëåíèÿ, ïîðîøêîâîé òåõíîëîãèè, ïðîïèòêè, ïðîòÿæêè âîëîêîí ÷åðåç ðàñïëàâ, à òàêæå ïîñðåäñòâîì ïðîêàòêè è ãîðÿ÷åãî ïðåññîâàíèÿ. Âûäåëÿþò ÷åòûðå îñíîâíûå ãðóïïû ñïîñîáîâ ïîëó÷åíèÿ ïðåïðåãîâ, ïîëóôàáðèêàòîâ è èçäåëèé èç ÊÌ ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè: ïàðîãàçîôàçíûå, æèäêîôàçíûå, òâåðäîæèäêîôàçíûå è òâåðäîôàçíûå. Ïàðîãàçîôàçíûå ñïîñîáû èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì äëÿ íàíåñåíèÿ íà âîëîêíà, æãóòû, ëåíòû è òêàíè áàðüåðíûõ è òåõíîëîãè÷åñêèõ ïîêðûòèé, êîòîðûå äîëæíû áûòü ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíû ïî ïîâåðõíîñòè êàæäîãî âîëîêíà. Áàðüåðíûå ïîêðûòèÿ ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ çàùèòû âîëîêíà îò äåãðàäàöèè â ðåçóëüòàòå ôèçèêî-õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ìåòàëëè÷åñêîé ìàòðèöåé. Ýòè ïîêðûòèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òåðìîäèíàìè÷åñêè ñòîéêèå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, èãðàþùèå ðîëü äèôôóçèîííûõ áàðüåðîâ. Ñîñòàâ ýòèõ ñîåäèíåíèé îáû÷íî âêëþ÷àåò áîðèäû, íèòðèäû, êàðáèäû, îêèñëû è âûáèðàåòñÿ â çàâèñèìîñòè
ïðåïðåãîâ
- 29 îò õàðàêòåðà ôèçèêî-õèìè÷åñêîé è òåðìîìåõàíè÷åñêîé ñîâìåñòèìîñòè àðìèðóþùèõ âîëîêîí è ìàòðè÷íûõ ñïëàâîâ. Âûáðàííîå ñîåäèíåíèå îñàæäàåòñÿ íà ïîâåðõíîñòü íåïðåðûâíî äâèæóùèõñÿ âîëîêîí, îáðàçóÿ ïëîòíîå ïîêðûòèå. Òîëùèíà ïîêðûòèÿ ìîæåò ìåíÿòüñÿ îò ñîòåí àíãñòðåì äî íåñêîëüêèõ ìèêðîí. Òåõíîëîãè÷åñêèå ïîêðûòèÿ ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óëó÷øåíèÿ ñìà÷èâàíèÿ âîëîêîí ìàòðè÷íûìè ìåòàëëè÷åñêèìè ðàñïëàâàìè è ïîâûøåíèÿ àäãåçèè, à òàêæå äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ íà ïîâåðõíîñòè âîëîêîí ìåòàëëè÷åñêèõ ñëîåâ, íåîáõîäèìûõ ëèáî äëÿ ïëàñòèôèöèðîâàíèÿ âîëîêîí, ëèáî äëÿ ïîñëåäóþùåãî ôîðìèðîâàíèÿ ÊÌ. Ê æèäêîôàçíûì ñïîñîáàì îòíîñÿò: ïðîòÿæêó âîëîêîí, æãóòîâ è òêàíåé ÷åðåç ðàñïëàâû ìåòàëëîâ è ìàòðè÷íûõ ñïëàâîâ äëÿ ïëàñòèôèöèðîâàíèÿ âîëîêîí è ïîëó÷åíèÿ ïðåïðåãîâ; ïðîïèòêó ïàêåòîâ ïðåïðåãîâ ìåòàëëè÷åñêèìè ðàñïëàâàìè íà ñòàäèÿõ èçãîòîâëåíèÿ ïîëóôàáðèêàòîâ è èçäåëèé â àâòîêëàâàõ ïîä íåáîëüøèì èçáûòî÷íûì äàâëåíèåì, à òàêæå ìåòîäàìè ëèòåéíîé òåõíîëîãèè; ïëàçìåííîå è íåêîòîðûå äðóãèå âèäû ãàçîòåðìè÷åñêîãî ðàñïûëåíèÿ ìåòàëëîâ. Òâåðäîæèäêîôàçíûå ñïîñîáû ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ ïðîèçâîäñòâà ïîëóôàáðèêàòîâ è èçäåëèé èç ÊÌ ìåòîäàìè ãîðÿ÷åãî ïðåññîâàíèÿ, âîëî÷åíèÿ è ïðîêàòêè ïàêåòîâ ïðåïðåãîâ. Îñîáåííî ýôôåêòèâíû îíè ïðè àðìèðîâàíèè ÊÌ òêàíÿìè èç ìíîãîôèëàìåíòíûõ æãóòîâ, à òàêæå ïðè ñëîæíîì õàðàêòåðå àðìèðîâàíèÿ, êîãäà òðåáóåòñÿ äîçèðîâàíèå îáúåìà æèäêîé ôàçû, íåîáõîäèìîé äëÿ ðàâíîìåðíîé ïðîïèòêè âîëîêîííîãî êàðêàñà ìåòàëëîì. Ê òâåðäîôàçíûì ñïîñîáàì îòíîñÿò ãîðÿ÷åå ïðåññîâàíèå ïðè ñòàòè÷åñêîì, äèíàìè÷åñêîì è èìïóëüñíîì äàâëåíèè â âàêóóìå èëè ñðåäå çàùèòíûõ ãàçîâ, à òàêæå ïðîêàòêó, âîëî÷åíèå, ýêñòðóçèþ è ñâàðêó äàâëåíèåì. Ìåòîä ïëàçìåííîãî íàïûëåíèÿ
Ñóùåñòâóåò äâà âàðèàíòà ïîëó÷åíèÿ ÊÌ ñ èñïîëüçîâàíèåì ïëàçìåííîãî íàïûëåíèÿ ìàòðè÷íîãî ñïëàâà íà àðìèðóþùèå âîëîêíà: 1) íåïðåðûâíîå âîëîêíî ñ ôèêñèðîâàííûì øàãîì íàìàòûâàþò íà ïðèåìíûé áàðàáàí, çàòåì íà âîëîêíî íàïûëÿþò ìàòðè÷íûé ñïëàâ; 2) íà ïîâåðõíîñòü áàðàáàíà óêëàäûâàþò ôîëüãó èç ìàòðè÷íîãî ñïëàâà, íàìàòûâàþò íà íåå ñ çàäàííûì øàãîì âîëîêíî è ïðîâîäÿò íàïûëåíèå ñïëàâà. Îñîáåííîñòüþ (è îñíîâíûì ïðåèìóùåñòâîì) òåõíîëîãèè ïëàçìåííîãî íàïûëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ êðàòêîâðåìåííîñòü (10−2 . . . 10−4 ñåê) òåðìè÷åñêîãî è ìåõàíè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÷àñòèö ðàñïûëåííîé ìàòðèöû íà àðìèðóþùèå âîëîêíà. Áëàãîäàðÿ ìàëîìó ðàçìåðó íàïûëÿåìûõ ÷àñòèö (10100 ìêì) óäàåòñÿ ñî-
- 30 õðàíèòü ïðî÷íîñòü âîëîêîí è îãðàíè÷èòü ðàçâèòèå äèôôóçèîííûõ ïðîöåññîâ, ïðèâîäÿùèõ ê îáðàçîâàíèþ õðóïêèõ ôàç íà ìåæôàçíîé ãðàíèöå. Íàïûëÿåìûå ÷àñòèöû ðàçãîíÿþòñÿ â ïëàçìåííîé ñòðóå äî 50150 ì/ñåê, ïðè ñîóäàðåíèè ñ âîëîêíàìè èíòåíñèâíî äåôîðìèðóþòñÿ è ïðîíèêàþò ìåæäó íèìè, îáðàçóÿ ìåëêîêðèñòàëëè÷åñêóþ ïîðèñòóþ ìàòðèöó. Óäàð ðàñïëàâëåííîé ÷àñòèöû î ïîâåðõíîñòü âîëîêíà ñîïðîâîæäàåòñÿ óäàðíûì (íàïîðíûì) äàâëåíèåì äî 2000 ÌÏà. Îáðàçîâàíèå ïðî÷íîãî ñîåäèíåíèÿ âîëîêíà ñ ìàòðèöåé â ýòîì ïðîöåññå ïðîèñõîäèò óæå â òâåðäîì ñîñòîÿíèè ïîñëå ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííîé êðèñòàëëèçàöèè òîíêîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ ÷àñòèöû. Ïëàñòè÷åñêîå äåôîðìèðîâàíèå
 áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ êîíñòðóêöèîííûå êîìïîçèòû ñ ìåòàëëè÷åñêîé ìàòðèöåé ïîëó÷àþò ïëàñòè÷åñêèì äåôîðìèðîâàíèåì ñáîðíûõ çàãîòîâîê èç ïîëóôàáðèêàòîâ. Îñíîâíàÿ çàäà÷à òàêîãî äåôîðìèðîâàíèÿ ïðåîáðàçîâàíèå íåïëîòíîé çàãîòîâêè â êîìïàêòíûé ïîëóôàáðèêàò èëè èçäåëèå ñ ïðî÷íûì ñîåäèíåíèåì ìàòðèöû ñ àðìèðóþùèìè âîëîêíàìè áåç íàðóøåíèÿ ñïëîøíîñòè è òåðìè÷åñêîãî ðàçóïðî÷íåíèÿ àðìàòóðû. Ïðè ïëàñòè÷åñêîì êîìïàêòèðîâàíèè êîìïîçèòîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ðÿä òðåáîâàíèé ê ïàðàìåòðàì òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà. Òàêèå òðåáîâàíèÿ îáû÷íî ôîðìóëèðóþòñÿ â âèäå êðèòåðèåâ óñëîâèé òèïà ðàâåíñòâ èëè íåðàâåíñòâ, ñâÿçûâàþùèõ ïàðàìåòðû êîìïîçèòà è ïðîöåññà êîìïàêòèðîâàíèÿ. Êðèòåðèé ïîëíîãî óïëîòíåíèÿ.
þùèé ïàðàìåòðû ïðîöåññà, èìååò âèä
Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ êðèòåðèé, îïðåäåëÿ-
εk = knp , ãäå εk áåçðàçìåðíûé ïàðàìåòð, õàðàêòåðèçóþùèé ñòåïåíü äåôîðìàöèè çàãîòîâêè; knp êîýôôèöèåíò íåïëîòíîñòè çàãîòîâêè (îòíîøåíèå ñóììàðíîãî îáúåìà íåïëîòíîñòåé ê îáúåìó, îãðàíè÷åííîìó êîíòóðîì çàãîòîâêè). Êîýôôèöèåíò íåïëîòíîñòè ñïåöèàëüíî ðàñ÷èòûâàåòñÿ äëÿ êàæäîãî òèïà àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòà. Ïðèìåíÿåòñÿ òàêæå êðèòåðèé âèäà
Pk > σ c , ãäå Pk äàâëåíèå êîìïàêòèðîâàíèÿ ïîëóôàáðèêàòà; σc ñðåäíåå íàïðÿæåíèå òå÷åíèÿ ìàòðèöû â ñòðóêòóðíîé ÿ÷åéêå êîìïîçèòà.
- 31 Êðèòåðèé ñîõðàíåíèÿ ñïëîøíîñòè âîëîêîí
èìååò âèä
Pk < σf , ãäå Pk äàâëåíèå êîìïàêòèðîâàíèÿ; σf âåëè÷èíà, õàðàêòåðèçóþùàÿ ñîïðîòèâëåíèå âîëîêîí ðàçðóøåíèþ ïðè ïîïåðå÷íîì ñæàòèè.  òîì ñëó÷àå, êîãäà â êà÷åñòâå àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ èñïîëüçóåòñÿ ìåòàëëè÷åñêàÿ ìèêðîïðîâîëîêà, çà σf ïðèíèìàåòñÿ ïðåäåë òåêó÷åñòè ìåòàëëà ïðè òåìïåðàòóðå ïðîöåññà êîìïàêòèðîâàíèÿ. Êðèòåðèé ïðî÷íîãî ñîåäèíåíèÿ êîìïîíåíòîâ
îïðåäåëÿåò óñëîâèå âèäà
tk > tc , ãäå tk äëèòåëüíîñòü ïðîöåññà êîìïàêòèðîâàíèÿ; tc âðåìÿ, íåîáõîäèìîå äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïðî÷íîãî ñîåäèíåíèÿ êîìïîíåíòîâ êîìïîçèòà.  îáùåì ñëó÷àå ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ ïðî÷íîãî ñîåäèíåíèÿ ðàçíîðîäíûõ ìàòåðèàëîâ ìîæíî ðàçäåëèòü íà òðè ñòàäèè, êàæäàÿ èç êîòîðûõ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñîáñòâåííîé äëèòåëüíîñòüþ: ñòàäèÿ îáðàçîâàíèÿ ôèçè÷åñêîãî êîíòàêòà (ñáëèæåíèå àòîìîâ ñîåäèíÿåìûõ ïîâåðõíîñòåé), õàðàêòåðèçóþùåãîñÿ äåéñòâèåì íà ìåæêîìïîíåíòíûõ ãðàíèöàõ ñèë Âàí-äåð-Âààëüñà è ñëàáûì õèìè÷åñêèì âçàèìîäåéñòâèåì; ñòàäèÿ îáðàçîâàíèÿ ¾àêòèâíûõ öåíòðîâ¿ íà êîíòàêòèðóþùèõ ïîâåðõíîñòÿõ çà ñ÷åò ñêîïëåíèÿ äèñëîêàöèé è ò. ï. äåôîðìàöèîííûõ ÿâëåíèé, áëàãîäàðÿ êîòîðûì ôîðìèðóåòñÿ ïðî÷íàÿ õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü ìåæäó êîìïîíåíòàìè; ñòàäèÿ ðåàêöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, îáðàçîâàíèÿ ïðîìåæóòî÷íûõ ôàçîâûõ ïðîñëîåê è ò. ï. â çîíå êîíòàêòà êîìïîíåíòîâ êîìïîçèòà. Ïðè êîìïàêòèðîâàíèè êîìïîçèòîâ âðåìÿ tc ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåòñÿ äëèòåëüíîñòüþ âòîðîé ñòàäèè. ñâÿçàí ñ îïðåäåëåíèåì îïòèìàëüíîé òåìïåðàòóðû ïðîöåññà êîìïàêòèðîâàíèÿ, îò êîòîðîé çàâèñÿò òàêæå è çíà÷åíèÿ äðóãèõ êðèòåðèàëüíûõ ïàðàìåòðîâ, â ò. ÷., ïåðå÷èñëåííûå âûøå. Êðèòåðèàëüíîå âûðàæåíèå èìååò âèä Êðèòåðèé ïðåäîòâðàùåíèÿ òåðìè÷åñêîãî ðàçóïðî÷íåíèÿ âîëîêîí
Tk < T ∗ , ãäå Tk òåìïåðàòóðà äåôîðìèðîâàíèÿ çàãîòîâêè; T ∗ êðèòè÷åñêàÿ òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé íà÷èíàåòñÿ àêòèâíîå ðàçóïðî÷íåíèå âîëîêîí; Ýòîò êðèòåðèé îãðàíè÷èâàåò ðîñò òåìïåðàòóðû ñ öåëüþ ïîâûøåíèÿ äåôîðìàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê ìàòðèöû è îáëåã÷åíèÿ ïðîöåññà êîìïàêòèðîâàíèÿ. Äëÿ õðóïêèõ âîëîêîí äîïóñêàåòñÿ ñíèæåíèå ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ ïðè êîìïàêòèðîâàíèè íå áîëåå ÷åì íà 5%, â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ íà 10%.
- 32 -
1.4.2
Îñíîâíûå òèïû ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö
Ïðè ïðîèçâîäñòâå ìåòàëëîêîìïîçèòîâ äëÿ ôîðìîâàíèÿ ìàòðèö èñïîëüçóþòñÿ ìíîãèå ìåòàëëû.  òàáë. 1.5 ïðèâåäåíû ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè íåêîòîðûõ èõ íèõ, ïðèìåíÿåìûõ íàèáîëåå øèðîêî.  òàáë. 1.6 ïðåäñòàâëåíû ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìåòàëëè÷åñêèõ âîëîêîí (ìèêðîïðîâîëîê) èñïîëüçóåìûõ äëÿ àðìèðîâàíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö. Òàáëèöà 1.5. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìåòàëëîâ ñòàëü àëþìèíèé òèòàí ìàãíèé áåðèëëèé íèêåëü
ρ, êã/ì3 78007850 27002850 4500 1800 1850 8900
σb , ÌÏà 7702200 260700 10001200 260 620 400500
E, ÃÏà 180210 7072 110 40 320 200
Òàáëèöà 1.6. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìåòàëëè÷åñêèõ âîëîêîí ñòàëü àëþìèíèé òèòàí áåðèëëèé âîëüôðàì ìîëèáäåí
d, ìêì 201500 150 100800 50500 2050 25250
ρ, êã/ì3 7800 2700 4500 18001850 1900019300 10200
σb , ÌÏà 15004400 290 14001500 11001450 33004000 18002200
E, ÃÏà 180200 70 120 240310 410 360
 òàáëèöàõ 1.5 è 1.6 ïðåäñòàâëåíû ñëåäóþùèå õàðàêòåðèñòèêè: ρ ïëîòíîñòü, σb ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè, E ìîäóëü óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè, d äèàìåòð âîëîêîí. Ìàòðèöû íà îñíîâå àëþìèíèÿ
Îñíîâíûì òðåáîâàíèåì ê ìàòðèöàì íà îñíîâå àëþìèíèÿ è åãî ñïëàâîâ ÿâëÿåòñÿ ñîâìåñòèìîñòü ñ ìàòåðèàëîì àðìèðóþùèõ âîëîêîí ïðè òåìïåðàòóðàõ
- 33 ïîëó÷åíèÿ è ýêñïëóàòàöèè ÊÌ. Äëÿ íèõ õàðàêòåðíû âûñîêèå çíà÷åíèÿ ïðî÷íîñòè è ïëàñòè÷íîñòè ïðè íîðìàëüíîé è ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðàõ, âûñîêèå òåõíîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà è êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü. Àëþìèíèåâûå ìàòðèöû àðìèðóþòñÿ âûñîêîïðî÷íûìè è âûñîêîìîäóëüíûìè âîëîêíàìè, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîâûøàòü æåñòêîñòü è ïðî÷íîñòü ÊÌ. Äëÿ àðìèðîâàíèÿ ïðèìåíÿþòñÿ âîëîêíà ñòàëè, áîðà, áîðñèêà, óãëåðîäà, êàðáèäà êðåìíèÿ, âîëüôðàìà, ìîëèáäåíà, áåðèëëèÿ, òèòàíà, äèîêñèäà êðåìíèÿ è äðóãèõ ìàòåðèàëîâ. Òàêèå êîìïîçèòû èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì â àâèàöèîííîé è êîñìè÷åñêîé òåõíèêå, à òàêæå ïðè èçãîòîâëåíèè äåòàëåé äâèãàòåëåé.
Ìàòðèöû íà îñíîâå ìàãíèÿ
Ìàãíèåâûå ñïëàâû îòëè÷àþòñÿ ìàëîé ïëîòíîñòüþ, âûñîêîé óäåëüíîé ïðî÷íîñòüþ, âûñîêèìè äåìïôèðóþùèìè ñïîñîáíîñòÿìè, õîðîøî ïîääàþòñÿ ðåçàíèþ. Ñóùåñòâåííûì äîñòîèíñòâîì ìàãíèåâûõ ìàòðèö ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè ïðàêòè÷åñêè íå âñòóïàþò â õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ñ îñíîâíûìè êëàññàìè àðìèðóþùèõ âîëîêîí. Íåäîñòàòêîì òàêèõ ìàòðèö ÿâëÿåòñÿ ïîíèæåííàÿ êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü, ÷òî òðåáóåò ïðèìåíåíèÿ ñïåöèàëüíûõ ìåð ïî çàùèòå ïîâåðõíîñòè èçäåëèé èç òàêèõ ìàòåðèàëîâ. Ìàãíèåâûå ìàòðèöû àðìèðóþòñÿ âîëîêíàìè áîðà, óãëåðîäíûìè, êàðáèäà êðåìíèÿ, ñòàëè, òèòàíà, òàíòàëà, îêñèäà àëþìèíèÿ. Äëÿ ñîçäàíèÿ èçäåëèé èç êîìïîçèòîâ íà îñíîâå ìàãíèåâûõ ìàòðèö èñïîëüçóþòñÿ òàêèå òåõíîëîãèè, êàê äèôôóçèîííàÿ ñâàðêà, ëèòüå, ïðîïèòêà. Òàêèå èçäåëèÿ ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè äåòàëåé ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ è ÿäåðíûõ ðåàêòîðîâ.
Ìàòðèöû íà îñíîâå òèòàíà
Êîìïëåêñ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ïðèñóùèõ òèòàíó è åãî ñïëàâàì (âûñîêàÿ ïðî÷íîñòü, êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü, íåõëàäíîëîìêîñòü, íåìàãíèòíîñòü, íèçêàÿ ïëîòíîñòü, ñðàâíèòåëüíî íåâûñîêèå òåïëî- è ýëåêòðîïðîâîäíîñòü, íåâûñîêèé êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ è äð.), äåëàåò ýòè ìàòåðèàëû îäíèìè èç íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â àâèàöèîííîé è êîñìè÷åñêîé òåõíèêå. Àðìèðîâàíèå òèòàíà è åãî ñïëàâîâ âûñîêîìîäóëüíûìè âîëîêíàìè ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ïîâûñèòü æåñòêîñòü ýòèõ ìàòåðèàëîâ. Òàêèå ìàòåðèàëû õàðàêòåðèçóþòñÿ âûñîêîé óäåëüíîé ïðî÷íîñòüþ, æàðîñòîéêîñòüþ, ìàëîé àíèçîòðîïèåé ñâîéñòâ. Äëÿ àðìèðîâàíèÿ èñïîëüçóþò áîð, áîðñèê, áåðèëëèé, êàðáèä êðåìíèÿ.
- 34 Ìàòðèöû íà îñíîâå ìåäè
Õàðàêòåðíûå ÷åðòû ìåäè è åå ñïëàâîâ âûñîêèå òåïëî- è ýëåêòðîïðîâîäíîñòü, âûñîêàÿ êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü, ïëàñòè÷íîñòü. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ïîäîáíûõ ìàòåðèàëîâ ÿâëÿåòñÿ èõ íèçêàÿ ïðî÷íîñòü ïðè ïîâûøåííûõ òåìïåðàòóðàõ. Ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ ýòîãî íåäîñòàòêà ìåäü àðìèðóþò âîëîêíàìè âîëüôðàìà, æåëåçà, ãðàôèòà è äðóãèõ ìàòåðèàëîâ. ÊÌ íà îñíîâå ìåäè â îñíîâíîì ïðèìåíÿþòñÿ â ýëåêòðîòåõíèêå â êà÷åñòâå çàìåíèòåëåé ÷èñòîé ìåäè è åå ñïëàâîâ. Ìàòðèöû íà îñíîâå íèêåëÿ
Íèêåëü è åãî ñïëàâû â îñíîâíîì àðìèðóþòñÿ âîëîêíàìè òóãîïëàâêèõ ìåòàëëîâ, êåðàìè÷åñêèìè è óãëåðîäíûìè âîëîêíàìè ñ öåëüþ ïîâûøåíèÿ æàðîïðî÷íîñòè íèêåëÿ è åãî ñïëàâîâ. Àðìèðîâàíèå îáû÷íî ïðîâîäèòñÿ æèäêîôàçíûìè ìåòîäàìè, îñîáîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ïðåäîòâðàùåíèþ õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìàòðèöû ñ àðìèðóþùèìè âîëîêíàìè. Ïðèìåíÿþòñÿ òàêèå ìàòåðèàëû â îñíîâíîì äëÿ èçãîòîâëåíèÿ âûñîêîíàãðóæåííûõ äåòàëåé ãàçîòóðáèííûõ äâèãàòåëåé: ñîïëîâûõ ëîïàòîê, äåòàëåé êàìåð ñãîðàíèÿ, òåïëîâûõ ýêðàíîâ è ò. ï. Ìàòðèöû íà îñíîâå êîáàëüòà
Êîáàëüò äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ÊÌ èñïîëüçóåòñÿ äîâîëüíî ðåäêî, ÷òî îáúÿñíÿåòñÿ åãî âûñîêîé ñòîèìîñòüþ è ìàëûìè îáúåìàìè, ïîñòóïàþùèìè â ïðîèçâîäñòâî. Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîáàëüòà çàâèñÿò îò ñïîñîáà åãî ïîëó÷åíèÿ è ðåæèìîâ òåðìîîáðàáîòêè. Ìàòåðèàëû íà îñíîâå êîáàëüòà íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â äâèãàòåëåñòðîåíèè ïðè èçãîòîâëåíèè äåòàëåé, ðàáîòàþùèõ â óñëîâèÿõ âûñîêèõ òåìïåðàòóð: ëîïàòîê ãàçîâûõ òóðáèí, äåòàëåé êàìåð ñãîðàíèÿ, òîïëèâíûõ íàñîñîâ òóðáèí, êîíñòðóêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ñîïåë äâèãàòåëåé. Äëÿ àðìèðîâàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì âîëüôðàì è ìîëèáäåí, ðåæå îêñèä àëþìèíèÿ, êàðáèä êðåìíèÿ, óãëåðîäíûå âîëîêíà.
1.4.3
Íåêîòîðûå ñâîéñòâà ìåòàëëîêîìïîçèòîâ
Îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòàíåííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìåòàëëîêîìïîçèòîâ ÿâëÿåòñÿ áîðîàëþìèíèé. Îáúåìíîå ñîäåðæàíèå âîëîêîí áîðà â òàêèõ ìàòåðèàëàõ ñîñòàâëÿåò îêîëî 50%. Ìàòåðèàë òàêîãî ñîñòàâà ñïîñîáåí âûäåðæèâàòü äîñòàòî÷íî âûñîêèå íàãðóçêè â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè (100 ÷àñîâ 500◦ C 400 ÌÏà èëè 100 ÷àñîâ 300◦ C 600 ÌÏà).
- 35 Êîìïîçèòû ìàãíèéáîð îòëè÷àþòñÿ âûñîêèìè óäåëüíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ïðî÷íîñòè è æåñòêîñòè çà ñ÷åò íèçêîé ïëîòíîñòè ìàòðèöû (ìàãíèé). Ìîäóëü óïðóãîñòè òàêèõ ìàòåðèàëîâ ïðè ñîäåðæàíèè áîðíûõ âîëîêîí 4045% ñîñòàâëÿåò 220 ÃÏà. Êîìïîçèòû àëþìèíèéñòàëü ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ýêîíîìè÷ûìè, äåøåâûìè è äîñòóïíûìè ìàòåðèàëàìè. Ê ÷èñëó èõ äîñòîèíñòâ îòíîñèòñÿ âûñîêàÿ òåõíîëîãè÷íîñòü; â òî æå âðåìÿ ýòè ìàòåðèàëû ïî ñâîèì óäåëüíûì õàðàêòåðèñòèêàì óñòóïàþò êîìïîçèòàì, àðìèðîâàííûì áîðíûìè âîëîêíàìè. Ìîäóëü óïðóãîñòè òàêèõ ìàòåðèàëîâ ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 110 ÃÏà, ïëîòíîñòü 4800 êã/ì3 . Ñòàëåàëþìèíèé îòëè÷àåòñÿ âûñîêîé êîððîçèííîé ñòîéêîñòüþ â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ. Îñîáîå ìåñòî ñðåäè ìåòàëëîêîìïîçèòîâ çàíèìàþò ìàòåðèàëû íà îñíîâå òèòàíà è òèòàíîâûõ ñïëàâîâ, óïðî÷íÿåìûå ïðîâîëî÷íûìè âîëîêíàìè èç ñïëàâîâ íà îñíîâå áåðèëëèÿ, âîëüôðàìà è ìîëèáäåíà. Îñíîâíûì äîñòîèíñòâîì êîìïîçèòîâ íà îñíîâå òèòàíà ÿâëÿþòñÿ ïîâûøåííûå õàðàêòåðèñòèêè ïðî÷íîñòè ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ (âïëîòü äî 700◦ C) è ïîâûøåííàÿ ïðî÷íîñòü ïðè ðàñòÿæåíèè ïåðïåíäèêóëÿðíî âîëîêíàì. Íàèáîëüøåé ñîâìåñòèìîñòüþ ñ òèòàíîâûìè ìàòðèöàìè îáëàäàþò êåðàìè÷åñêèå âîëîêíà, èìåþùèå áëèçêèå ê ìàòðèöå êîýôôèöèåíòû òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ. Äëÿ êîìïîçèòà òèòàíêàðáèä êðåìíèÿ ïðè ñîäåðæàíèè âîëîêîí 33% ìîäóëü óïðóãîñòè ñîñòàâëÿåò 210 ÃÏà, à ïðåäåë ïðî÷íîñòè 910 ÌÏà. Êîìïîçèòû ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè èìåþò ïîâûøåííûå ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàäèöèîííûìè ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòåðèàëàìè öèêëè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êàê ïðè ðàñòÿæåíèèñæàòèè, òàê è ïðè èçãèáå.  öåëîì õàðàêòåðèñòèêè ìåòàëëîêîìïîçèòîâ â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿþòñÿ òåõíîëîãèÿìè èõ ïðîèçâîäñòâà è ïåðåðàáîòêè. Ââèäó òîãî, ÷òî ìåòàëëîêîìïîçèòû â îñíîâíîì ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îòâåòñòâåííûõ ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèé, íåîáõîäèì òùàòåëüíûé êîíòðîëü çà ïàðàìåòðàìè òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ïðè èõ ïðîèçâîäñòâå, à òàêæå ïðîâåäåíèå êîíòðîëüíûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ñâîéñòâ ïîëó÷åííûõ èçäåëèé.
Ãëàâà 2 Èñõîäíûå ìàòåðèàëû. Àðìèðóþùèå âîëîêíà
2.1
Ñòåêëîâîëîêíî
Ñòåêëÿííûå âîëîêíà ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ âèäîâ àðìèðóþùèõ íàïîëíèòåëåé, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå êîìïîçèòîâ.
2.1.1
Ïðîèçâîäñòâî ñòåêëîâîëîêîí
Èñõîäíûé òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ äëÿ ïîëó÷åíèÿ âñåõ âèäîâ ñòåêëîâîëîêîí ïðîöåññ âûòÿæêè íèòåé èç ðàñïëàâà. Ñûðüåì ïðè ýòîì ÿâëÿåòñÿ ñìåñü êâàðöåâîãî ïåñêà, èçâåñòíÿêà, áîðíîé êèñëîòû è äðóãèõ êîìïîíåíòîâ (ãëèíà, óãîëü, øïàòû). Êîìïîíåíòû ïåðåìåøèâàþòñÿ, ïîëó÷åííàÿ ñìåñü ïëàâèòñÿ â âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ ïå÷àõ. Òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ çàâèñèò îò ñîñòàâà ñìåñè, â ñðåäíåì ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 1260 ◦ C. Ïîëó÷åíèå âîëîêîí ìîæåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé îäíî- ëèáî äâóõñòàäèéíûé ïðîöåññ. Ïðè îäíîñòàäèéíîì ïðîöåññå ñòåêëîâîëîêíà âûòÿãèâàþòñÿ íåïîñðåäñòâåííî èç ïîëó÷åííîãî ðàñïëàâà. Ðåæå ïðèìåíÿåòñÿ äâóõñòàäèéíûé ïðîöåññ, ïðè êîòîðîì èç ïåðâè÷íîãî ðàñïëàâà ïîëó÷àþòñÿ ñòåêëîñôåðû, êîòîðûå çàòåì âòîðè÷íî ðàñïëàâëÿþòñÿ è ïîëó÷åííûé ðàñïëàâ ïîäàåòñÿ â óñòàíîâêè äëÿ ôîðìîâàíèÿ âîëîêîí. Ðàñïëàâ ñòåêëîìàññû ïîìåùàåòñÿ â ñïåöèàëüíóþ åìêîñòü, â äíèùå êîòîðîé èìåþòñÿ ïðîôèëèðîâàííûå îòâåðñòèÿ (ôèëüåðû). Ñàìà åìêîñòü (áóøèíã) îáû÷íî èçãîòàâëèâàåòñÿ èç ïëàòèíîâûõ ñïëàâîâ.  åìêîñòè ñ ðàñïëàâëåííîé ñòåêëîìàññîé ñîçäàåòñÿ èçáûòî÷íîå äàâëåíèå, ïîä äåéñòâèåì êîòîðîãî ðàñïëàâ âûäàâëèâàåòñÿ ÷åðåç ôèëüåðû (ïðîöåññ ýêñòðóçèè). Ñðàçó ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ ÷åðåç ôèëüåðû ýëåìåíòàðíûå âîëîêíà ïîäâåðãàþòñÿ ïåðâè÷íîé îáðàáîòêå: èíòåíñèâíîå ìåõàíè÷åñêîå ðàñòÿæåíèå;
- 37 îõëàæäåíèå â ïîòîêå âîäÿíûõ áðûçã (â ïîäôèëüåðíîì õîëîäèëüíèêå); îáúåäèíåíèå ýëåìåíòàðíûõ âîëîêîí â æãóò (ñòðåíãó); çàìàñëèâàíèå æãóòà (ñòðåíãè). Çàìàñëèâàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðîöåññ íàíåñåíèÿ ïîêðûòèÿ íà ïîâåðõíîñòü âîëîêîí, êîòîðîå ñïîñîáñòâóåò èõ îáúåäèíåíèþ â æãóò (ñëèïàíèþ) è ñíèæàåò òðåíèå ìåæäó âîëîêíàìè, ïðåïÿòñòâóÿ òåì ñàìûì îáðàçîâàíèþ ïîâåðõíîñòíûõ ìèêðîòðåùèí, êîòîðûå ñíèæàþò ïðî÷íîñòü âîëîêíà. Ïîñëå çàìàñëèâàíèÿ æãóò ïîñòóïàåò íà ïðèåìíûé áàðàáàí. Ñêîðîñòü ïðèåìà æãóòà ïðåâûøàåò 3 êì/ìèí. Ïàðòèÿ æãóòà ñ áàðàáàíà ïðîõîäèò êîíäèöèîíèðîâàíèå (âûäåðæèâàíèå ïðè çàäàííûõ óñëîâèÿõ), ïîñëå ÷åãî ïîñòóïàåò íà äàëüíåéøóþ ïåðåðàáîòêó äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñîáñòâåííî àðìèðóþùåãî ìàòåðèàëà. Èíîãäà ïðèìåíÿþò ñïîñîá ¾âîçäóøíîãî âûòÿãèâàíèÿ¿, ïðè êîòîðîì ñòåêëîìàññà, ïðîøåäøàÿ ñêâîçü ôèëüåðû âûòÿãèâàåòñÿ è ðàçðûâàåòñÿ â ñòðóå âîçäóõà. Ïîëó÷åííûå âîëîêíà äëèíîé 200 . . . 400 ìì ñîáèðàþòñÿ íà âðàùàþùåìñÿ áàðàáàíå è îáúåäèíÿþòñÿ â ñòðåíãó (æãóò), êîòîðàÿ ïîñòóïàåò íà äàëüíåéøóþ ïåðåðàáîòêó. Òàêîé òèï ñòåêëîâîëîêíà íàçûâàþò ¾øòàïåëüíûì¿.  ïðîöåññå ïîëó÷åíèÿ ýëåìåíòàðíûõ âîëîêîí êîíòðîëèðóþòñÿ âÿçêîñòü è òåìïåðàòóðà ðàñïëàâà, à òàêæå ñêîðîñòü âûòÿæêè âîëîêîí. Ðàçðàáîòàíû òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ñòåêëîâîëîêîí ðàçíûõ äèàìåòðîâ, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü â îáùåé ñëîæíîñòè îêîëî 10 ñòàíäàðòíûõ òèïîâ ýëåìåíòàðíûõ âîëîêîí, äèàìåòð êîòîðûõ ìåíÿåòñÿ îò 3,8 ìêì äî 13,0 ìêì.
2.1.2
Ñîñòàâ ñòåêëà
Ñòåêëî ÿâëÿåòñÿ àìîðôíûì ìàòåðèàëîì.  õèìè÷åñêîì îòíîøåíèè ñòåêëî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëèìåð, ñîñòîÿùèé èç ýëåìåíòàðíûõ áëîêîâ âèäà
(−SiO4 −). Äèîêñèä êðåìíèÿ (êâàðö), êîòîðûé èñïîëüçóåòñÿ ïðè ïîëó÷åíèè ñòåêëà, èìååò âûñîêóþ òåìïåðàòóðó ïëàâëåíèÿ. Äëÿ ñíèæåíèÿ óðîâíÿ ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð â èñõîäíûé ñîñòàâ ââîäÿòñÿ äîïîëíèòåëüíûå êîìïîíåíòû. Ïîìèìî ïîíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ èñõîäíîé ñìåñè, äîïîëíèòåëüíûå êîìïîíåíòû ïîçâîëÿþò ðåøàòü åùå äâå çàäà÷è: ïîëó÷åíèå ñòåêëà ñ îïðåäåëåííûìè ñâîéñòâàìè è ïðèñïîñîáëåíèå ê òðåáîâàíèÿì òåõíîëîãèè. Îñíîâíûå òèïû ñòåêëîâîëîêîí è èõ ñâîéñòâà
A-ñòåêëî ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì òèïîì ñòåêëà. Åãî îòëè÷èòåëüíûì êà÷åñòâîì ÿâëÿåòñÿ âûñîêîå ñîäåðæàíèå ùåëî÷åé. Òàêîå ñòåêëî íàçûâàþò òàêæå íàòðèåâûì èëè áóòûëî÷íûì. Îíî ïðèìåíÿåòñÿ â îñíîâíîì äëÿ
- 38 ïðîèçâîäñòâà åìêîñòåé è ëèñòîâîãî ñòåêëà è õàðàêòåðèçóåòñÿ âûñîêîé õåìîñòîéêîñòüþ. C-ñòåêëî îòëè÷àåòñÿ ññîáî âûñîêîé óñòîé÷èâîñòüþ ê âîçäåéñòâèþ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñòåêëà ýòîãî òèïà èñïîëüçóåòñÿ ñìåñü, ñîäåðæàùàÿ ñðåäè ïðî÷èõ êîìïîíåíòîâ íàòðèé, áîð, ñèëèêàòû. D-ñòåêëî îáëàäàåò íèçêèìè äèýëåêòðè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Òàêîå ñòåêëî ïðèìåíÿåòñÿ â ýëåêòðîíèêå, à òàêæå ïðè èçãîòîâëåíèè îáòåêàòåëåé àíòåíí ðàäèîëîêàòîðîâ. D-ñòåêëî õàðàêòåðèçóåòñÿ âûñîêèì ñîäåðæàíèåì áîðà. E-ñòåêëî ïðîèçâîäèòñÿ íà îñíîâå íèçêîùåëî÷íûõ êîìïîçèöèé (àëþìîáîðñèëèêàòû) è îáëàäàåò õîðîøèìè ýëåêòðîèçîëÿöèîííûìè ñâîéñòâàìè. Ñòåêëî ýòîé ìàðêè øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè òåêñòèëüíûõ èçäåëèé. Èíîãäà òàêîå ñòåêëî íàçûâàþò ¾ýëåêòðîñòåêëîì¿. L-ñòåêëî (ñâèíöîâîå ñòåêëî) ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé, èñïîëüçóåìûõ äëÿ ðàäèàöèîííîé çàùèòû. Òàêîå ñòåêëî ìîæåò ñëóæèòü äëÿ èçãîòîâëåíèÿ çàùèòíîé îäåæäû, ëèáî êîíñòðóêöèîííûõ ýëåìåíòîâ èçäåëèé, ðàáîòàþùèõ â óñëîâèÿõ ðàäèàöèîííîãî èçëó÷åíèÿ. M-ñòåêëî ïðèìåíÿåòñÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå ñòåêëîâîëîêîí ñ âûñîêèì ìîäóëåì óïðóãîñòè (äî 113 ÃÏà). Èñïîëüçîâàíèå òàêèõ ñòåêîë ñäåðæèâàåòñÿ òåì, ÷òî â èõ ñîñòàâå èìååòñÿ áåðèëëèé, ïðîèçâîäñòâî êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ êàíöåðîãåííûì. S-ñòåêëî îòëè÷àåòñÿ ïîâûøåííîé ïðî÷íîñòüþ è ïðèìåíÿåòñÿ â àâèà- è ðàêåòîñòðîåíèè.  ñîñòàâ òàêîãî ñòåêëà âõîäÿò ìàãíèéàëþìîñèëèêàòíûå êîìïîçèöèè. Ïðî÷íîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè S-ñòåêëà ïðèìåðíî íà 40 % ïðåâûøàþò õàðàêòåðèñòèêè E-ñòåêëà. Äîïîëíèòåëüíûìè ïðåèìóùåñòâàìè ñòåêîë ýòîé ìàðêè ÿâëÿþòñÿ ïîâûøåííàÿ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñðåäíèì óðîâíåì òåïëîñòîéêîñòü è íå ñëèøêîì âûñîêàÿ ñòîèìîñòü. Ðàçðàáàòûâàþòñÿ è ïðîèçâîäÿòñÿ äðóãèå âèäû ñòåêîë íà îñíîâå ñïåöèàëüíûõ êîìïîçèöèé èñõîäíûõ ìàòåðèàëîâ, íî îíè íàõîäÿò ïðèìåíåíèå òîëüêî â óçêîñïåöèàëüíûõ öåëÿõ è âûïóñêàþòñÿ â îãðàíè÷åííûõ îáúåìàõ. Ïðèìåðíûé ñîñòàâ ñòåêëîâîëîêîí: îêèñü êðåìíèÿ 5070 %, îêèñü àëþìèíèÿ 0,625 %, îêèñü êàëüöèÿ 0,0117 %, îêèñü ìàãíèÿ 2,510 %, ïðèìåðíî òàêèì æå ìîæåò áûòü ñîäåðæàíèå îêèñåé íàòðèÿ, êàëèÿ, áîðà, áàðèÿ. Äîëÿ äðóãèõ âåùåñòâ, êîòîðûå ìîãóò ââîäèòüñÿ â ðàñïëàâ, ãîðàçäî ìåíüøå è íå ïðåâûøàåò â îáùåé ñëîæíîñòè 1 %. Ñîñòàâ ñòåêëà â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåò åãî ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà. Äðóãèì âàæíûì ôàêòîðîì, âëèÿþùèì íà ñâîéñòâà ñòåêëîâîëîêîí, ÿâëÿåòñÿ åãî òåðìè÷åñêàÿ ïðåäûñòîðèÿ. Ñòåêëîâîëîêíà ðàçíûõ ìàðîê, íåñìîòðÿ íà ðàçëè÷èÿ â ñîñòàâå è íàçíà÷åíèè, îáëàäàþò îáùèìè õàðàêòåðíûìè ñâîéñòâàìè. Ê òàêèì ñâîéñòâàì îòíîñÿòñÿ:
- 39 âûñîêàÿ ïðî÷íîñòü ïðè ðàñòÿæåíèè (îòíîøåíèå ïðî÷íîñòè ê óäåëüíîìó âåñó); ýòîò ïîêàçàòåëü ñòåêëîâîëîêîí èìååò áîëåå âûñîêèå çíà÷åíèÿ, ÷åì ó ñòàëüíîé ïðîâîëîêè; òåïëî- è îãíåñòîéêîñòü; íåîðãàíè÷åñêàÿ ïðèðîäà ñòåêëîâîëîêíà ïðåïÿòñòâóåò èõ ãîðåíèþ; ñòåêëîâîëîêíà îáëàäàþò òàêæå âûñîêîé òåìïåðàòóðîé ïëàâëåíèÿ, ÷òî äåëàåò èõ ïðèãîäíûìè äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â óñëîâèÿõ âûñîêèõ òåìïåðàòóð; õåìîñòîéêîñòü; ñòåêëîâîëîêíà â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ íå âçàèìîäåéñòâóþò ñ õèìè÷åñêè àêòèâíûìè ìàòåðèàëàìè; áèîñòîéêîñòü; Ñ óñòîé÷èâû ê âîçäåéñòâèþ áàêòåðèé, ãðèáêîâ, íàñåêîìûõ è ïðî÷èõ ïðåäñòàâèòåëåé æèâîé ïðèðîäû; âëàãîñòîéêîñòü; ñòåêëîâîëîêíà íå âïèòûâàþò âëàãó è íå ðàçðóøàþòñÿ ïîä åå âîçäåéñòâèåì, ñîõðàíÿþò ñâîè ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà âî âëàæíîé ñðåäå; òåðìè÷åñêèå ñâîéñòâà õàðàêòåðèçóþòñÿ íèçêèì êîýôôèöèåíòîì ëèíåéíîãî òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ è âûñîêîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ñòåêëî â óñëîâèÿõ ïîâûøåííûõ òåìïåðàòóð è ïðèìåíÿòü åãî, íàïðèìåð, ïðè èçãîòîâëåíèè òåïëîîáìåííèêîâ èëè â óñòðîéñòâàõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ äèññèïàöèè òåïëà; ýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà ïðîÿâëÿþòñÿ â î÷åíü íèçêîé ýëåêòðîïðîâîäíîñòè. Çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñòåêëîâîëîêîí ìîãóò âàðüèðîâàòüñÿ â äîñòàòî÷íî øèðîêèõ ïðåäåëàõ. Îñíîâíàÿ ïðîáëåìà ïðè âûáîðå ñòåêëîâîëîêíà ìàêñèìàëüíî ïîëíûé ó÷åò ñîâîêóïíîñòè åãî ñâîéñòâ è åãî ïðèãîäíîñòè äëÿ ïðèìåíåíèÿ â êîíêðåòíûõ óñëîâèÿõ ýêñïëóàòàöèè. Õàðàêòåðíûå çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñòåêîë ðàçíûõ ìàðîê ïðèâåäåíû â òàáë. 2.1.
Òàáëèöà 2.1. Òèïè÷íûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ñòåêëà ïðè 22 ◦ C Ìàðêà A-ñòåêëî C-ñòåêëî E-ñòåêëî S-ñòåêëî
ρ, êã/ì3 2500 2490 2540 2480
σb+ , ÌÏà 3030 3030 3450 4600
εmax ,% 4,8 4,8 5,7
E + , ÃÏà 69,0 72,4 85,5
- 40 -
2.1.3
Ïðîäóêòû ïåðåðàáîòêè ñòåêëîâîëîêîí
Èçìåëü÷åííîå ñòåêëîâîëîêíî
Íåïðåðûâíîå âîëîêíî ðóáèòñÿ íà êîðîòêèå ýëåìåíòû äëèíîé 0,35 . . . 0,40 ìì. Âîëîêíà íåîáõîäèìîé äëèíû îòñåèâàþòñÿ íà ñïåöèàëüíûõ ñèòàõ ñ òðåáóåìûì ðàçìåðîì îòâåðñòèé. Èçìåëü÷åííîå âîëîêíî èñïîëüçóþò â êà÷åñòâå èíåðòíîãî íàïîëíèòåëÿ äëÿ òåðìî- è ðåàêòîïëàñòîâ.
Ñòåêëîâîëîêîííûå ðîâèíãè
Ðîâèíãîì íàçûâàþò îáúåäèíåíèå íåïðåðûâíûõ è ïàðàëëåëüíûõ ñòðåíã (æãóòîâ) èëè ýëåìåíòàðíûõ âîëîêîí (îò àíãëèéñêîãî ñûðîé, íåîáðàáîòàííûé). Ðîâèíã ïðîèçâîäèòñÿ ñîâìåñòíûì ïðÿäåíèåì íåñêîëüêèõ ïðîñòûõ ñòðåíã, ÷èñëî êîòîðûõ îïðåäåëÿåòñÿ òðåáîâàíèÿìè äàëüíåéøåé ïåðåðàáîòêè.  êà÷åñòâå õàðàêòåðèñòèê ðîâèíãà èñïîëüçóþò òàêèå âåëè÷èíû, êàê äëèíà åäèíèöû ìàññû èëè ìàññà 1 ìåòðà (¾ðàçâåñ¿). Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðîâèíãà â îñíîâíîì èñïîëüçóþò âîëîêíà áîëüøîãî äèàìåòðà (1013 ìêì). Ðàçâåñ òèïè÷íîãî ðîâèíãà ëåæèò â ïðåäåëàõ 3600 . . . 450 ì/êã èëè 276 . . . 2222 òåêñ, ( ìàññà 1 êì âîëîêíà â ãðàììàõ). Ðîâèíãè îáû÷íî ïîäâåðãàþòñÿ îáðàáîòêå ñïåöèàëüíûìè âåùåñòâàìè (àïïðåòàìè), êîòîðûå ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ïîâûøåíèÿ èõ òåõíîëîãè÷åñêèõ êà÷åñòâ (äëÿ óïðîùåíèÿ ïåðåðàáîòêè), äëÿ çàùèòû âîëîêîí îò èñòèðàíèÿ, äëÿ óäåðæàíèÿ âîëîêîí âìåñòå (àïïðåò ïðè ýòîì èñïîëíÿåò ðîëü çàìàñëèâàòåëÿ), äëÿ ïîâûøåíèÿ àäãåçèîííûõ êà÷åñòâ ñòåêëîâîëîêîí. Àïïðåòèðóþùèå âåùåñòâà èìåþò â ñâîåì ñîñòàâå õèìè÷åñêèå ãðóïïû, êîòîðûå ìîãóò îáðàçîâûâàòü óñòîé÷èâûå õèìè÷åñêèå ñâÿçè êàê ñ õèìè÷åñêèìè ãðóïïàìè ìàêðîìîëåêóë ñòåêëà íà ïîâåðõíîñòè âîëîêíà, òàê è ñ ìàêðîìîëåêóëàìè ñâÿçóþùèõ.
raw
òåêñ
Ðîâèíã â îñíîâíîì ïåðåðàáàòûâàåòñÿ â òêàíè, êîòîðûå èñïîëüçóþò äëÿ ôîðìîâàíèÿ áîëüøèõ ïîâåðõíîñòåé ñðàâíèòåëüíî ïðîñòîé ôîðìû. Òîëùèíà òêàíåé ñîñòàâëÿåò 0,5 . . . 1,0 ìì. Òêàíü ïðîïèòûâàåòñÿ ïîëèìåðíûì ñâÿçóþùèì è óêëàäûâàåòñÿ â íåñêîëüêî ñëîåâ, îáðàçóÿ â ðåçóëüòàòå (ïîñëå îòâåðæäåíèÿ ñâÿçóþùåãî) ñëîèñòûé ñòåêëîïëàñòèê. Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà òàêèõ ìàòåðèàëîâ îáû÷íî ñðàâíèòåëüíî íåâûñîêè. Ðîâèíã ìîæåò ðåçàòüñÿ íà êîðîòêèå ýëåìåíòû (12 . . . 50 ìì) äëÿ ïîëó÷åíèÿ àðìèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ ñ èçîòðîïíûìè ñâîéñòâàìè. Äîñòàòî÷íî øèðîêî ðîâèíãè ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè êîìïîçèòíûõ èçäåëèé ìåòîäàìè íàìîòêè è ïóëòðóçèè.
- 41 Ñòåêëîâîëîêîííûå ìàòû
Ìàò
mat
(îò àíãëèéñêîãî òîëñòîå ïîêðûòèå íåîïðåäåëåííîé ñòðóêòóðû) âîëîêíèñòûé íåòêàíûé ìàòåðèàë, ñîñòîÿùèé èç ïðîèçâîëüíî îðèåíòèðîâàííûõ âîëîêîí èëè ñïóòàííûõ íèòåé, ïðîïèòàííûé êàêèì-ëèáî ñâÿçóþùèì. Ïðèìåíÿþòñÿ òðè âèäà ìàòîâ èç ñòåêëîâîëîêîí: ìàòû èç ðåçàíûõ (øòàïåëüíûõ) íèòåé, èç íåïðåðûâíûõ íèòåé è äåêîðàòèâíûå ìàòû.  ïåðâîì ñëó÷àå ðåçàíûå âîëîêíà èìåþò äëèíó 25 . . . 50 ìì è óäåðæèâàþòñÿ âìåñòå çà ñ÷åò ïîâåðõíîñòíîãî òðåíèÿ ìåæäó ñîáîé. Ïðè èçãîòîâëåíèè ìàòîâ èç íåïðåðûâíîãî âîëîêíà ñòðåíãè (æãóòû) çàêðó÷èâàþòñÿ â âèäå ñïèðàëåé è ïåðåïëåòàþòñÿ äðóã ñ äðóãîì. Òàêèå ìàòû èìåþò ìåíüøóþ ïëîòíîñòü, äîñòàòî÷íî ðàçðåæåííóþ ñòðóêòóðó è ñðàâíèòåëüíî âûñîêèå óïðóãèå ñâîéñòâà. Äåêîðàòèâíûå ìàòû î÷åíü òîíêèå ïëåòåíûå ïîêðûòèÿ èç íåïðåðûâíîãî âîëîêíà. Èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì â êà÷åñòâå ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ïðè ôîðìîâàíèè èçäåëèé èç ñòåêëîïëàñòèêîâ. Ñòåêëîâîëîêîííàÿ ïðÿæà
Ïðÿæà
íèòü, ñîñòîÿùàÿ èç îòíîñèòåëüíî êîðîòêèõ òåêñòèëüíûõ âîëîêîí, ñîåäèíåííûõ ñ ïîìîùüþ ñêðó÷èâàíèÿ. Ñòåêëîâîëîêîííàÿ ïðÿæà ýòî ñîáðàííûå âîåäèíî îäèíî÷íûå âîëîêíà èëè ñòðåíãè (æãóòû), êîòîðûå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ äàëüíåéøåé ïåðåðàáîòêè. ¾Ïðîñòàÿ¿ ïðÿæà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäèíî÷íûå æãóòû ñòåêëîâîëîêîí, ïîëó÷åííûå íåïîñðåäñòâåííî èç áóøèíãà. Òàêàÿ ïðÿæà îáû÷íî ïîäâåðãàåòñÿ íåçíà÷èòåëüíîìó ñêðó÷èâàíèþ (ìåíåå 40 ì−1 ). Îáû÷íî òàêàÿ ïðÿæà ÿâëÿåòñÿ ñëèøêîì òîíêîé äëÿ íåïîñðåäñòâåííîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Áîëåå òîëñòàÿ ïðÿæà ïîëó÷àåòñÿ â ðåçóëüòàòå îáúåäèíåíèÿ íåñêîëüêèõ ñòðåíã, êîòîðîå âûïîëíÿåòñÿ ìåòîäàìè ñêðó÷èâàíèÿ è òðîùåíèÿ. Ñêðó÷èâàíèå ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ îáúåäèíåíèÿ ïðîñòûõ ñòðåíã. Ðàçëè÷àþò äâà âèäà ñêðó÷èâàíèÿ â çàâèñèìîñòè îò íàïðàâëåíèÿ êðó÷åíèÿ: S-êðóòêà (êîãäà êðó÷åíèå èäåò ñïðàâà ââåðõ íàëåâî, ò. å. ïðîòèâ âèíòîâîãî äâèæåíèÿ) è Z-êðóòêà (êðó÷åíèå ñëåâà ââåðõ íàïðàâî, ïî íàïðàâëåíèþ âèíòîâîãî äâèæåíèÿ). Åñëè ïðèìåíÿåòñÿ êðó÷åíèå îäíîãî âèäà, òî ïðÿæà áóäåò îáðàçîâûâàòü ïåòëè, ñêðóòêè è ò. ï. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ýòîãî èñïîëüçóþò òðîùåíèå äîïîëíèòåëüíîå ñêðó÷èâàíèå ïðåäâàðèòåëüíî óæå ñêðó÷åííûõ æãóòîâ (ïîâòîðíîå, îáúåäèíÿþùåå ñêðó÷èâàíèå). Ïðè ýòîì íàïðàâëåíèå çàêðó÷èâàíèÿ âûáèðàåòñÿ ïðîòèâîïîëîæíûì êðó÷åíèþ ïðîñòîé ïðÿæè. Ïîëó÷àåìàÿ â ðåçóëüòàòå ïðÿæà íàçûâàåòñÿ ¾óðàâíîâåøåííîé¿. Êðóòêà è òðîùåíèå ïîçâîëÿþò ïðîèçâîäèòü ïðÿæó ñ òðåáóåìûìè çíà÷åíèÿìè òàêèõ ïàðàìåòðîâ, êàê ïðî÷íîñòü, ãèáêîñòü è òîëùèíà æãóòîâ. Òàêàÿ ïðÿæà èñïîëüçóåòñÿ â îñíîâíîì äëÿ äàëüíåéøåé ïåðåðàáîòêè.
- 42 Ñòåêëîâîëîêîííàÿ ïðÿæà ìîæåò áûòü ïîäâåðãíóòà âîçäåéñòâèþ ñòðóè âîçäóõà, êîòîðàÿ ïðèâîäèò ê ñëó÷àéíîìó, íî êîíòðîëèðóåìîìó ðàçðóøåíèþ ýëåìåíòàðíûõ ñòåêëîâîëîêîí, ðàñïîëîæåííûõ íà ïîâåðõíîñòè ïðÿæè. Ýòîò ïðîöåññ íàçûâàþò ¾ðàñïóøåíèåì¿, ¾òåêñòóðèðîâàíèåì¿ ïðÿæè. Ïðÿæà, ïðîøåäøàÿ òàêóþ îáðàáîòêó, íàçûâàåòñÿ ¾îáúåìíîé¿. Óñëîâèÿ ïðîòåêàíèÿ ïðîöåññà êîíòðîëèðóþòñÿ äàâëåíèåì âîçäóøíîé ñòðóè è ñêîðîñòüþ ïîäà÷è ïðÿæè. ¾Îáúåìíàÿ¿ ïðÿæà, íåñìîòðÿ íà íåêîòîðîå ñíèæåíèå ïðî÷íîñòè, ëó÷øå ïîääàåòñÿ ïðîïèòêå ñâÿçóþùèì, ÷òî â öåëîì ïîâûøàåò êà÷åñòâî ãîòîâîãî êîìïîçèòà. Òàêîé ïðîöåññ ïîäãîòîâêè ïðÿæè ïðèìåíÿþò â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ñîäåðæàíèå ñâÿçóþùåãî â êîìïîçèòå ïî êàêèì-ëèáî ïðè÷èíàì äîëæíî áûòü îãðàíè÷åíî. Òêàíè èç ñòåêëîâîëîêîí
Òêàíè ÿâëÿþòñÿ ïðîäóêòîì äàëüíåéøåé ïåðåðàáîòêè ñòåêëîâîëîêîííîé ïðÿæè. Ñâîéñòâà è óñëîâèÿ ïîëó÷åíèÿ òêàíåé çàâèñÿò îò èõ ñòðîåíèÿ, ïëîòíîñòè ïåðåïëåòåíèÿ, èçâèòîñòè è ïëîòíîñòè èñõîäíîé ïðÿæè è äðóãèõ ïàðàìåòðîâ. Ïëîòíîñòü íèòåé â òêàíè îïðåäåëÿåòñÿ ÷èñëîì íèòåé â 1 ñì òêàíè â ïðîäîëüíîì è ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèÿõ. Ïðÿæà, ðàñïîëîæåííàÿ âäîëü äëèíû òêàíè, íîñèò íàçâàíèå ¾îñíîâà¿, ïîïåðå÷íî ðàñïîëîæåííàÿ ïðÿæà ¾óòîê¿. Ïðè ñîçäàíèè òêàíåé ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå âèäû ïåðåïëåòåíèÿ îñíîâû è óòêà, ÷òî â ñâîþ î÷åðåäü âëèÿåò íà ñâîéñòâà êîìïîçèòà, ïîëó÷åííîãî ñ èñïîëüçîâàíèåì òàêîé òêàíè. ïîëó÷àåòñÿ, êîãäà óòîê ïðîõîäèò ïîä êàæäîé íèòüþ îñíîâû è íàä íåé. Òàêèå òêàíè îáëàäàþò íàèáîëåå ñòàáèëüíûìè ñâîéñòâàìè, íàèìåíüøåé ïîâðåæäàåìîñòüþ è õàðàêòåðèçóþòñÿ íàèìåíüøèì ïðîñêàëüçûâàíèåì íèòåé â òêàíè. îáðàçóåòñÿ êîãäà äâà è áîëåå ýëåìåíòîâ îñíîâû ïåðåïëåòåíû äâóìÿ è áîëåå íèòÿìè óòêà. Òàêèå òêàíè îáëàäàþò áîëüøåé ãèáêîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîëîòíÿíûìè, ÷òî âûãîäíî ïðè ôîðìîâàíèè èçäåëèé ñëîæíîé ôîðìû. ïîõîæå íà ñåòî÷íîå, íî ïîðÿäîê ïåðåïëåòåíèÿ ñîñåäíèõ ýëåìåíòîâ óòêà ñ íèòÿìè îñíîâû ñìåùåí, â ðåçóëüòàòå ÷åãî òêàíü èìååò ïðÿìîé èëè èçëîìàííûé äèàãîíàëüíûé ðèñóíîê. Ãèáêîñòü òàêîé òêàíè âûøå, ÷åì â ñëó÷àå ñåòî÷íîãî ïåðåïëåòåíèÿ. îáðàçóåòñÿ â ñëó÷àå, êîãäà êàæäàÿ íèòü îñíîâû ïåðåêðûâàåòñÿ íåñêîëüêèìè íèòÿìè óòêà ñâåðõó è îäíîé ñíèçó. ×èñëî íèòåé óòêà ìîæåò äîñòèãàòü âîñüìè (¾âîñüìèðåìèçêîâîå ïåðåïëåòåíèå¿). Ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ òàê íàçûâàåìûå ¾îäíîíàïðàâëåííûå¿ ïåðåïëåòåíèÿ, â êîòîðûõ îñíîâíîé îáúåì òêàíè ôîðìèðóåòñÿ ïðî÷íûìè è áîëåå òîëñòûìè íèòÿìè îñíîâû. Óòîê ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áîëåå òîíêèå íèòè, êîòîðûå ïðåäíà-
¾Ïîëîòíÿíîå¿ ïåðåïëåòåíèå
¾Ñåòî÷íîå¿ ïåðåïëåòåíèå (¾ðîãîæêà¿)
¾Ñàðæåâîå¿ (¾äèàãîíàëüíîå¿) ïåðåïëåòåíèå ¾Ñàòèíîâîå¿ ïåðåïëåòåíèå
- 43 çíà÷åíû òîëüêî äëÿ îáúåäèíåíèÿ íèòåé îñíîâû. Òàêèå òêàíè èñïîëüçóþò ïðè èçãîòîâëåíèè èçäåëèé ñ âûñîêîé ïðî÷íîñòüþ â íàïðàâëåíèè íèòåé îñíîâû. Âìåñòî ïåðåïëåòåíèÿ íèòåé îñíîâû è óòêà ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ èõ ñêëåèâàíèå. Òàêèå ìàòåðèàëû íàçûâàþò . Îáû÷íî íåòêàíûå ìàòåðèàëû îáëàäàþò âûñîêîé æåñòêîñòüþ è ìàëî ïðèãîäíû äëÿ ôîðìîâàíèÿ èõ íèõ èçäåëèé. Ñòåêëîâîëîêîííàÿ ïðÿæà ïîìèìî îáû÷íûõ òêàíåé ìîæåò ïåðåðàáàòûâàòüñÿ â , , èâ . ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óçêóþ (äî 30 ñì øèðèíîé) òêàíóþ ëåíòó. ýòî òàêèå òêàíè, ãåîìåòðè÷åñêàÿ ôîðìà êîòîðûõ ñîâïàäàåò ñ ôîðìîé àðìèðóåìûõ äåòàëåé. ñîñòîÿò èç äâóõ ñëîåâ, ñêðåïëåííûõ ìåæäó ñîáîé íèòÿìè, êîòîðûå ïðîõîäÿò ñêâîçü ñëîè ëèáî ïî íîðìàëè ê èõ ïëîñêîñòè, ëèáî ïîä óãëîì ê íåé. ôîðìèðóþòñÿ êàê ìíîãîñëîéíîå îáúåäèíåíèå îáû÷íûõ òêàíåé, êîòîðûå ñîåäèíÿþòñÿ (¾ïåðåâÿçûâàþòñÿ¿) ïðÿæåé â íàïðàâëåíèè íîðìàëè ê ñëîÿì. Åñëè äëÿ îáúåäèíåíèÿ òêàíåé â òðåõìåðíûé áëîê èñïîëüçóþòñÿ òîëñòûå æåñòêèå æãóòû (íèòè), òàêèå òêàíè íàçûâàþò ¾ïðîêîëîòûìè¿. Ïðè èñïîëüçîâàíèè òêàíåé â êà÷åñòâå àðìèðóþùåãî íàïîëíèòåëÿ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü öåëûé ðÿä òðåáîâàíèé, çà÷àñòóþ ïðîòèâîðå÷àùèõ äðóã äðóãó. Òàê, èçâåñòíî, ÷òî ïîâûøåíèå ïëîòíîñòè ïåðåïëåòåíèÿ òêàíè ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ñîäåðæàíèÿ ñòåêëîâîëîêíà â ñîñòàâå êîìïîçèòà, íî îäíîâðåìåííî çàòðóäíÿåò ïðîïèòêó òàêîé òêàíè ñâÿçóþùèì è óñëîæíÿåò ôîðìîâàíèå èçäåëèé, ïîñêîëüêó ïëîòíàÿ òêàíü îáëàäàåò äîñòàòî÷íî âûñîêîé æåñòêîñòüþ. Òêàíè ñ ðåäêèì ïåðåïëåòåíèåì õîðîøî ïðîïèòûâàþòñÿ è ëåãêî ôîðìóþòñÿ, íî ìàëîå ÷èñëî íèòåé â íèõ íå îáåñïå÷èâàåò òðåáóåìîé ïðî÷íîñòè; âîëîêíà (æãóòû) â òàêîé òêàíè ìîãóò ëåãêî òåðÿòü çàäàííîå íàïðàâëåíèå îðèåíòàöèè, ÷òî äîïîëíèòåëüíî ñíèæàåò ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà â íàïðàâëåíèè àðìèðîâàíèÿ. Óâåëè÷åíèå ÷èñëà íåñâÿçàííûõ ó÷àñòêîâ ïðÿæè â òêàíè (¾ìíîãîðåìèçêîâûå¿ ïåðåïëåòåíèÿ) ñíèæàåò âçàèìíîå òðåíèå ñòåêëîâîëîêîí â ñòðóêòóðå òêàíè, ÷òî ñïîñîáñòâóåò ïîâûøåíèþ ïðî÷íîñòè êîìïîçèòà. ×àñòî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî îäíîíàïðàâëåííàÿ ëåíòà îáåñïå÷èâàåò áîëåå âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîìïîçèòà ïî ñðàâíåíèþ ñ òêàíüþ, èìåþùåé ïîëîòíÿíîå ïåðåïëåòåíèå.
íåòêàíûìè
òåñüìó êîíòóðíûå òêàíè òêàíè ñ ãîôðèðîâàííûìè âîëîêíàìè òðåõìåðíûå ìíîãîñëîéíûå òêàíè Òåñüìà Êîíòóðíûå òêàíè Òêàíè ñ ãîôðèðîâàííûìè âîëîêíàìè Òðåõìåðíûå òêàíè
2.1.4
Ñîîòíîøåíèå ñòåêëîâîëîêíî/ñâÿçóþùåå
Ïðè ïðîãíîçèðîâàíèè ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ ñòåêëîïëàñòèêîâ äîñòàòî÷íî ÷àñòî ïîëüçóþòñÿ ïðàâèëîì ìåõàíè÷åñêîé ñìåñè:
X = Xm Cm + Xf Cf = Xm Cm + Xf (1 − Cm ),
- 44 ãäå X , Xm , Xf õàðàêòåðèñòèêà êîìïîçèòà, ìàòðèöû (ñâÿçóþùåãî) è íàïîëíèòåëÿ (âîëîêíà), Cm , Cf ñîäåðæàíèå ñâÿçóþùåãî è âîëîêíà â êîìïîçèòå. Òàêîé ïîäõîä îïðàâäàí ïðè îöåíêå ñâîéñòâ îäíîíàïðàâëåííûõ êîìïîçèòîâ â íàïðàâëåíèè àðìèðîâàíèÿ. Îöåíêà ïî ïðàâèëó ìåõàíè÷åñêîé ñìåñè ïîêàçûâàåò, ÷òî ïîâûøåíèå ñîäåðæàíèå àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà (îáû÷íî èìåþùåãî áîëåå âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè) äîëæíî ïðèâîäèòü ê ïîâûøåíèþ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êîìïîçèòà. Òàêàÿ îöåíêà ïîäòâåðæäàåòñÿ ïðàêòèêîé ïðèìåíåíèÿ êîìïîçèòîâ è ýêñïåðèìåíòàëüíûìè èññëåäîâàíèÿìè. Ïðè èçãîòîâëåíèè ñîâðåìåííûõ ìàòåðèàëîâ èìååòñÿ òåíäåíöèÿ ñíèæàòü ñîäåðæàíèå ñâÿçóþùåãî. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî îïòèìàëüíûì ÿâëÿåòñÿ ñîäåðæàíèå ñâÿçóþùåãî 30 . . . 35 %, â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ îíî ïðåâûøàåò 40 %. Ñóùåñòâåííóþ ðîëü â ôîðìèðîâàíèè ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êîìïîçèòà èìååò îðèåíòàöèÿ àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ. Çà ñ÷åò âûáîðà âèäà àðìèðóþùåãî íàïîëíèòåëÿ (îäíîíàïðàâëåííûé ðîâèíã, òêàíü è äð.) è ñïîñîáà àðìèðîâàíèÿ (îäíîíàïðàâëåííàÿ, äâóíàïðàâëåííàÿ, ìíîãîíàïðàâëåííàÿ óêëàäêà) ìîæíî â øèðîêèõ ïðåäåëàõ óïðàâëÿòü ñòåïåíüþ àíèçîòðîïèè ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ êîìïîçèòà. 2.2
Ñòåêëîíàïîëíåííûå òåðìîïëàñòû
Ñòåêëîíàïîëíåííûå òåðìîïëàñòû (ÑÍÒÏ) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îäèí èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ âèäîâ ÊÌ è ôîðìèðóþòñÿ ïóòåì íàïîëíåíèÿ ðàñïëàâëåííîãî êîìïàóíäà êîðîòêèìè âîëîêíàìè. Ïîñëå îòâåðæäåíèÿ ðàñïëàâà îáðàçóåòñÿ ìàòåðèàë ñîñòîÿùèé èç òåðìîïëàñòè÷íîé ìàòðèöû, àðìèðîâàííîé õàîòè÷åñêè îðèåíòèðîâàííûìè êîðîòêèìè âîëîêíàìè.  ìàòðèöó äîïîëíèòåëüíî ìîãóò ââîäèòüñÿ è äðóãèå íàïîëíèòåëè: êðàñèòåëè, çàìåäëèòåëè ãîðåíèÿ, çàìàñëèâàòåëè è äð.  êà÷åñòâå ìàòðèöû ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ òàêèå ìàòåðèàëû, êàê ïîëèïðîïèëåí, íåéëîí, ïîëèñòèðîë, ïîëèýòèëåí âûñîêîé ïëîòíîñòè è äð. Îñíîâíîé àðìèðóþùèé ýëåìåíò ñòåêëîâîëîêíî (÷òî ÿâèëîñü ïðè÷èíîé ïðèñâîåíèÿ íàçâàíèÿ ¾ñòåêëîíàïîëíåííûå¿ ýòîìó êëàññó ìàòåðèàëîâ), íî èíîãäà èñïîëüçóþò è äðóãèå âèäû âîëîêîí: óãëåðîäíûå, àðàìèäíûå, àñáåñòîâûå è äð. Íàïîëíèòåëè, îòëè÷íûå îò ñòåêëîâîëîêíà îáû÷íî ïðèìåíÿþòñÿ ïðè íåîáõîäèìîñòè ïîëó÷åíèÿ ìàòåðèàëîâ ñ îñîáûìè ñâîéñòâàìè: ýëåêòðè÷åñêèìè, õèìè÷åñêèìè, òåïëîèçîëèðóþùèìè, ìåõàíè÷åñêèìè è ò. ï. Èíîãäà íàïîëíèòåëè èñïîëüçóþò äëÿ ñíèæåíèÿ öåíû ìàòåðèàëà èëè â òåõíîëîãè÷åñêèõ öåëÿõ. Âîëîêíà ââîäÿòñÿ â ñâÿçóþùåå ìåòîäàìè, îñíîâàííûìè ÷àùå âñåãî íà ïðèíöèïå ýêñòðóçèè. Ïðîìåæóòî÷íûì ýòàïîì ñîçäàíèÿ ìàòåðèàëà ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå êîìïàóíäà â âèäå ãðàíóë. Ãîòîâûé êîìïàóíä ìîæåò íåïîñðåäñòâåííî èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ ïåðåðàáîòêè â èçäåëèÿ, ëèáî õðàíèòüñÿ â òå÷åíèå íåêîòîðîãî
- 45 âðåìåíè.  êà÷åñòâå ñïîñîáîâ èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé èç ãîòîâîãî êîìïàóíäà èñïîëüçóþò øòàìïîâêó èëè ãîðÿ÷åå ôîðìîâàíèå. Äîñòîèíñòâîì ýòèõ ìåòîäîâ ÿâëÿåòñÿ èõ ïðèñïîñîáëåííîñòü ê àâòîìàòèçèðîâàííîìó ïðîöåññó ïðîèçâîäñòâà.
2.2.1
Îñíîâû òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà ÑÍÒÏ
Îäèí èç ïåðâûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ, ïîìåíÿâøèõñÿ ïðè ïîëó÷åíèè ÑÍÒÏ, áûëî íàíåñåíèå ñâÿçóþùåãî íà ñòåêëîðîâèíã ïðè ïðîòÿæêå åãî ÷åðåç ñïåöèàëüíûå ïðèñïîñîáëåíèÿ (àíàëîãè÷íî íàíåñåíèþ ïîêðûòèÿ íà ïðîâîëîêó). Ïîëó÷åííûé ìàòåðèàë ðóáèòñÿ íà ãðàíóëû è â òàêîì âèäå ìîæåò ïîñòóïàòü â ãîðÿ÷óþ ïåðåðàáîòêó. Òàêàÿ òåõíîëîãèÿ îáåñïå÷èâàåò äîñòàòî÷íî ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå àðìèðóþùèõ âîëîêîí â îáúåìå ìàòåðèàëà. Ìåòîä ñìåøèâàíèÿ â ýêñòðóäåðå ñîñòîèò â ïåðåìåøèâàíèè êîðîòêèõ âîëîêîí ñî ñâÿçóþùèì â ðàáî÷åì îáúåìå ýêñòðóäåðà. Èíîãäà ñâÿçóþùåå ïîäâåðãàåòñÿ ïðåäâàðèòåëüíîìó èçìåëü÷åíèþ è ñìåøèâàíèþ ñ âîëîêíàìè åùå äî ïîäà÷è â ýêñòðóäåð. Âûáîð òîãî èëè èíîãî âàðèàíòà (è êîíñòðóêòèâíûõ îñîáåííîñòåé ýêñòðóäåðà) çàâèñèò îò òðåáóåìîé ñòåïåíè îäíîðîäíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ âîëîêîí è âèäà ñàìèõ âîëîêîí (èõ äëèíû è ôîðìû). Àíàëîãè÷íûå ñïîñîáû ñìåøèâàíèÿ âîëîêîí è ñâÿçóþùåãî ïðèìåíÿþòñÿ è â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ëèòüÿ ïîä äàâëåíèåì. Ñìåøèâàíèå ìîæåò ïðîèçâîäèòüñÿ ëèáî çàðàíåå, ëèáî íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä ïîäà÷åé êîìïîíåíòîâ â ëèòüåâóþ ìàøèíó. Âîëîêíà, èñïîëüçóåìûå ïðè ïðîèçâîäñòâå àðìèðîâàííûõ òåðìîïëàñòîâ îáû÷íî èìåþò ñðåäíèé äèàìåòð 13 . . . 14 ìêì. Äëèíà âîëîêîí îáû÷íî êîëåáëåòñÿ â ïðåäåëàõ 3 . . . 12 ìì. Ïðè ýòîì âîëîêíà äëèíîé 3 ìì è ìåíåå ñ÷èòàþòñÿ ¾êîðîòêèìè¿, áîëåå 6 ìì ¾äëèííûìè¿.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ èìåííî îò ðàçìåðîâ âîëîêíà çàâèñèò òåðìîñòàáèëüíîñòü ñâîéñòâ ñâÿçóþùåãî è âîçìîæíîñòü îáúåäèíåíèÿ âîëîêîí ñî ñâÿçóþùèì â åäèíûé ìàòåðèàë. Âûáîð ñâÿçóþùèõ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ÑÍÒÏ äîñòàòî÷íî øèðîê. Îñíîâíîå òðåáîâàíèå íàëè÷èå òåðìîïëàñòè÷íîñòè è âûñîêàÿ ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà. Ìàòåðèàëû ñ âûñîêîé ìîëåêóëÿðíîé ìàññîé îáû÷íî îáëàäàþò áîëåå âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, õîòÿ îäíîâðåìåííî âûñîêàÿ ìàññà çàòðóäíÿåò ïåðåðàáîòêó òàêèõ ìàòåðèàëîâ. Ïîâûøåíèå òåõíîëîãè÷íîñòè òàêîãî ñûðüÿ îáû÷íî äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ ïëàñòèôèêàòîðîâ è ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû â ïðîöåññå ïåðåðàáîòêè. Îáû÷íî ïðîöåññ ïðîòåêàåò ïðè òåìïåðàòóðå 250 . . . 300 ◦ C.
- 46 -
2.2.2
Âëèÿíèå õàðàêòåðèñòèê êîìïîíåíòîâ è òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ íà ñâîéñòâà ÑÍÒÏ
Òåîðåòè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ â äàííîì íàïðàâëåíèè ðàçâèòû î÷åíü ñëàáî, äàííûå â îñíîâíîì ïîëó÷åíû ýêñïåðèìåíòàëüíûìè ìåòîäàìè, ÷òî îãðàíè÷èâàåò èõ îáùíîñòü è ïðåäñêàçàòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü. Îòìå÷àåòñÿ, ÷òî ñ ðîñòîì äèàìåòðà âîëîêîí ñíèæàåòñÿ ïðî÷íîñòü êîìïîçèòîâ; îäíîâðåìåííî ýòî ñîïðîâîæäàåòñÿ óëó÷øåíèåì àäãåçèè âîëîêîí ñî ñâÿçóþùèì è âîçìîæíîñòüþ ñíèæåíèÿ èõ ñîäåðæàíèÿ â ìàòåðèàëå. Îïòèìàëüíûì îòíîøåíèåì äëèíû ê äèàìåòðó ïðèíÿòî ñ÷èòàòü 50 . . . 125. Ïðè ýòîì õàðàêòåðèñòèêè ìàòåðèàëîâ, àðìèðîâàííûõ âîëîêíàìè äëèíîé 3 . . . 6 ìì ïðàêòè÷åñêè íå ðàçëè÷àþòñÿ. Ïðè ýòîì äëèíà âîëîêîí èçìåíÿåòñÿ â ïðîöåññå ïåðåðàáîòêè èñõîäíîãî êîìïàóíäà è îò íà÷àëüíîé âåëè÷èíû 3 . . . 6 ìì ìîæåò óìåíüøàòüñÿ äî 0,5 ìì, ÷òî ñâÿçàíî ñ äðîáëåíèåì âîëîêîí. Îäíèì èç îñíîâíûõ ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà ñâîéñòâà ÑÍÒÏ, ÿâëÿåòñÿ àäãåçèÿ êîìïîíåíòîâ. Óâåëè÷åíèå àäãåçèè äîñòèãàåòñÿ ñ ïîìîùüþ äîáàâîê, âûáîð êîòîðûõ çàâèñèò îò âèäà êîìïîíåíòîâ. Ýòè äîáàâêè ââîäÿòñÿ â êîìïàóíä â âèäå çàìàñëèâàòåëåé, òåõíîëîãèÿ èõ ââåäåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ôàêòè÷åñêè îäèí èç ñïîñîáîâ ïîâåðõíîñòíîé îáðàáîòêè âîëîêîí. Äîñòàòî÷íî âàæíîé ÿâëÿåòñÿ ïðîáëåìà îáåñïå÷åíèÿ ãîìîãåííîñòè (îäíîðîäíîñòè) ìàòåðèàëà. Ðåøåíèå ýòîé ïðîáëåìû äîñòèãàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ìåòîäîâ óïðàâëåíèÿ îðèåíòàöèåé âîëîêîí, êîòîðàÿ çàâèñèò îò âÿçêîñòè êîìïàóíäà, ñòåïåíè íàïîëíåíèÿ, òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ, ãåîìåòðèè êîíñòðóêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ôîðìîâî÷íûõ àïïàðàòîâ è ìàøèí. Ïîëíîé ãîìîãåíèçàöèè äîñòè÷ü íå óäàåòñÿ, íî êîíòðîëü çà âñåìè ýòèìè ïàðàìåòðàìè ïîçâîëÿåò ïîâûøàòü ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ çà ñ÷åò îáåñïå÷åíèÿ èõ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé îäíîðîäíîñòè. Âåëè÷èíà îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ àðìèðóþùèõ âîëîêîí îïðåäåëÿåòñÿ çàäàííûì óðîâíåì ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòà, ñòîèìîñòüþ êîìïîçèòà è ëåãêîñòüþ ïåðåðàáîòêè. Ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëîâ è ìîäóëè óïðóãîñòè ïðè ðàçëè÷íûõ âèäàõ íàãðóæåíèÿ (ðàñòÿæåíèå, ñæàòèå, èçãèá) îáû÷íî ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ âîëîêîí, íî ñêîðîñòü ðîñòà, íà÷èíàÿ ñ íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ, ñòàíîâèòñÿ î÷åíü ìàëîé. Ãðàíèöà, ïîñëå êîòîðîé óâåëè÷åíèå îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ ñòàíîâèòñÿ ìàëîýôôåêòèâíûì, îáû÷íî ëåæèò â ðàéîíå 40 % îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ âîëîêîí. Ïîëçó÷åñòü òåðìîïëàñòîâ ñ ðîñòîì ñîäåðæàíèÿ âîëîêîí ñíèæàåòñÿ. Äëÿ òîãî æå õàðàêòåðíîãî çíà÷åíèÿ îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ âîëîêîí 40 % äëÿ íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ îòìå÷àåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ïîëíîå èñ÷åçíîâåíèå ïîëçó÷åñòè. Ðîñò òåìïåðàòóðû îáû÷íî ñîïðîâîæäàåòñÿ ñíèæåíèåì óïðóãèõ ñâîéñòâ ÑÍÒÏ, óâåëè÷åíèåì ïðåäåëüíîé äåôîðìàöèè è ïàäåíèåì ïðåäåëà ïðî÷íîñòè.
- 47 -
2.2.3
Ïðèìåíåíèå ÑÍÒÏ
Ïðèìåíåíèå ÑÍÒÏ îñíîâàíî íà èñïîëüçîâàíèè òàêèõ èõ êà÷åñòâ, êàê äîñòàòî÷íî âûñîêàÿ æåñòêîñòü, íåâûñîêàÿ ïîëçó÷åñòü, ñïîñîáíîñòü ñîïðîòèâëÿòüñÿ óäàðíûì âîçäåéñòâèÿì. Ê ÷èñëó ìåíåå âàæíûõ õàðàêòåðèñòèê îòíîñÿòñÿ âîçìîæíîñòü íàíåñåíèÿ ãàëüâàíîïîêðûòèé íà ïîâåðõíîñòè äåòàëåé, íåâûñîêèé êîýôôèöèåíò òðåíèÿ è ìàëàÿ ñòåïåíü èçíîñà, õîðîøàÿ âëàãî- è ïîæàðîóñòîé÷èâîñòü, õîðîøèå ýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà. Íàèáîëüøåå ïðèìåíåíèå àðìèðîâàííûå òåðìîïëàñòû íàõîäÿò â àâòîìîáèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè (50 % ïðîèçâîäñòâà ÑÍÒÏ), íà âòîðîì ìåñòå ïðîèçâîäñòâî âû÷èñëèòåëüíûõ ìàøèí (30 %). Äîñòàòî÷íî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ÑÍÒÏ ïîòðåáëÿåòñÿ â âîåííîé ïðîìûøëåííîñòè. Òèïè÷íûå ïðèìåðû äåòàëåé, ïðîèçâîäèìûõ èç ñòåêëîíàïîëíåííûõ òåðìîïëàñòîâ ïðèáîðíûå ïàíåëè, çóá÷àòûå êîëåñà è ïîäøèïíèêè, äåòàëè òðàíñïîðòíûõ ñðåäñòâ, ïàòðîííûå ãèëüçû è äð. 2.3
2.3.1
Âûñîêîñèëèêàòû è êâàðö
Ñîñòàâ, ïîëó÷åíèå, ïðèìåíåíèå
Äàííûé òèï âîëîêîí ìîæíî îòíåñòè ê ãðóïïå ¾îñîáî ÷èñòûõ¿ ñòåêëîâîëîêîí. Òåðìèí ¾îñîáàÿ ÷èñòîòà¿ õàðàêòåðèçóåò ñîäåðæàíèå â âîëîêíå êðåìíåçåìà SiO2 . Ê âûñîêîñèëèêàòàì îòíîñÿò ñòåêëîâîëîêíà ñ ñîäåðæàíèåì êðåìíåçåìà ñâûøå 95 %, êâàðöåâûå âîëîêíà ñîäåðæàò íå ìåíåå 99,95 % êðåìíåçåìà. Âîëîêíà òàêîãî òèïà èíîãäà íàçûâàþò ¾âûñîêîòåìïåðàòóðîñòîéêèìè¿, è, â çàâèñèìîñòè îò èõ ñîñòàâà, ïîäðàçäåëÿþò íà êðåìíåçåìíûå, àëþìîêðåìíåçåìíûå, àëþìîñèëèêàòíûå è êâàðöåâûå. Êðåìíåçåìíûå (âûñîêîñèëèêàòíûå) âîëîêíà ïîëó÷àþò èç ñòåêëîâîëîêîí ñ ñîäåðæàíèåì SiO2 ≈ 65%. Òàêîå ñòåêëîâîëîêíî ïîäâåðãàþò îáðàáîòêå êèñëîòîé ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå, â ðåçóëüòàòå ÷åãî èç âîëîêíà óäàëÿþòñÿ ïðèìåñè. Òàêîé ïðîöåññ íàçûâàþò ¾âûùåëà÷èâàíèåì¿. Êâàðöåâûå âîëîêíà èíîãäà ïîëó÷àþò èç êðèñòàëëîâ êâàðöà. Êðèñòàëëû ïåðåðàáàòûâàþòñÿ â øòàáèêè (ïàëî÷êè) äèàìåòðîì îêîëî 4 ìì, êîòîðûå çàòåì ïëàâÿòñÿ â ïðîïàíîêèñëîðîäíîì ïëàìåíè, à èç ðàñïëàâà âûòÿãèâàþòñÿ ýëåìåíòàðíûå âîëîêíà (ôèëàìåíòû). Ýëåìåíòàðíûå âîëîêíà ñîáèðàþòñÿ âìåñòå (ïî 240 øòóê), îáðàáàòûâàþòñÿ çàìàñëèâàòåëåì, ïîëó÷åííûå âîëîêíà (íèòè) ñîáèðàþòñÿ â ïðèåìíîì óñòðîéñòâå è ïîäâåðãàåòñÿ äàëüíåéøåé ïåðåðàáîòêå äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïðÿæè è äðóãèõ ìàòåðèàëîâ. Âûñîêîñèëèêàòíûå è êâàðöåâûå âîëîêíà, à òàêæå ïðîäóêòû èõ ïåðåðàáîòêè ìîãóò îáðàáàòûâàòüñÿ îáû÷íûìè ñïîñîáàìè, ïðèíÿòûìè â òåêñòèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè: ðåçàíèå, ïîëó÷åíèå ìàòîâ, ðîâèíãîâ, ëåíò, íåòêàíûõ ìàòåðèàëîâ
- 48 è òêàíåé. Âûñîêîñèëèêàòíûå è êâàðöåâûå âîëîêíà îòëè÷àþòñÿ áîëåå âûñîêèìè (ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòåêëîâîëîêíîì) ïðî÷íîñòüþ è ãèáêîñòüþ, ÷òî îáëåã÷àåò èõ ïåðåðàáîòêó. Âàæíûì ïðåèìóùåñòâîì ÿâëÿåòñÿ òàêæå èõ ñîâìåñòèìîñòü ñ áîëüøèíñòâîì ñâÿçóþùèõ, ïðèìåíÿåìûõ ïðè ïðîèçâîäñòâå êîìïîçèòîâ. Äëÿ èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé èç âûñîêîòåìïåðàòóðîñòîéêèõ âîëîêîí ïðèìåíÿþò òàêèå òåõíîëîãèè, êàê íàìîòêà, ïðåññîâàíèå, âûêëàäêà ñ àâòîêëàâíûì èëè âàêóóìíûì ôîðìîâàíèåì è äð. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ âûñîêîé ñòîéêîñòüþ òàêèõ âîëîêîí ê âîçäåéñòâèþ òåìïåðàòóðû.  ÷àñòíîñòè, èç ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå âûñîêîòåìïåðàòóðîñòîéêèõ âîëîêîí èçãîòàâëèâàþò ýëåìåíòû òåðìîçàùèòû âîçâðàùàåìûõ êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, ñîïëà ðàêåòíûõ äâèãàòåëåé, äåòàëè ñòàáèëèçàòîðîâ è ðóëåâûõ óñòðîéñòâ, àíòåííû, îáòåêàòåëè è äð.
2.3.2
Ôèçè÷åñêèå è ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà
Âûñîêîñèëèêàòíûå è êâàðöåâûå âîëîêíèñòûå ìàòåðèàëû èìåþò îäíè èç íàèáîëåå âûñîêèõ óäåëüíûõ ïðî÷íîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ñðåäè æàðîñòîéêèõ ìàòåðèàëîâ. Õàðàêòåðíûå çíà÷åíèÿ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êâàðöåâûõ âîëîêîí (ïëîòíîñòü ρ, ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè σb+ , ìîäóëü óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè E + ) ïðèâåäåíû â òàáë. 2.2. Òàáëèöà 2.2. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êâàðöåâûõ âîëîêîí ïðè 22 ◦ C Êâàðöåâîå ëîêíî
âî-
ρ, êã/ì3 2200
σb+ , ÌÏà 6000
E + , ÃÏà 6974
Âîëîêíà òàêîãî òèïà îáû÷íî íå ïîäâåðæåíû âîçäåéñòâèþ êèñëîò. Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâëÿþò ïëàâèêîâàÿ è ôîñôîðíàÿ êèñëîòà ïðè ïîâûøåííûõ òåìïåðàòóðàõ. Íå ðåêîìåíäóåòñÿ ïîäâåðãàòü òàêèå âîëîêíà âîçäåéñòâèþ ùåëî÷åé. Âûñîêîñèëèêàòû íå ïëàâÿòñÿ è íå èñïàðÿþòñÿ ïðè òåìïåðàòóðàõ äî 1650 ◦ C, Ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 980 ◦ C ýòè ìàòåðèàëû ïåðåõîäÿò â êðèñòàëëè÷åñêóþ ôîðìó, ÷òî ñîïðîâîæäàåòñÿ âîçðàñòàíèåì èõ æåñòêîñòè ïðè ñîõðàíåíèè ôèçè÷åñêèõ è èçîëÿöèîííûõ ñâîéñòâ. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ âûñîêîñèëèêàòîâ ÿâëÿåòñÿ èõ ñïîñîáíîñòü âûäåðæèâàòü òåïëîâûå óäàðû.  ÷àñòíîñòè, ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííîå îõëàæäåíèå îò òåìïåðàòóðû îêîëî 1100 ◦ C äî êîìíàòíîé ïðîèñõîäèò áåç ÿâíûõ èçìåíåíèé â ñòðóêòóðå ìàòåðèàëà.
- 49 2.4
2.4.1
Áîðíûå è êàðáèä-êðåìíèåâûå âîëîêíà
Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà
Âîëîêíà íà îñíîâå áîðà (B) è êàðáèäà êðåìíèÿ (SiC) ïîÿâèëèñü â ðåçóëüòàòå èññëåäîâàíèé, çàäà÷åé êîòîðûõ áûëî ñíèæåíèå ìàññû êîíñòðóêöèé èç ÊÌ çà ñ÷åò ïîâûøåíèÿ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ èñïîëüçóåìûõ ìàòåðèàëîâ. Âîçìîæíîñòè äîñòàòî÷íî øèðîêî ïðèìåíÿåìûõ è õîðîøî èçó÷åííûõ ñòåêëîïëàñòèêîâ îãðàíè÷åíû èõ íåäîñòàòî÷íîé æåñòêîñòüþ, ÷òî çàòðóäíÿåò èõ ïðèìåíåíèå äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îñíîâíûõ íåñóùèõ íàãðóçêó óçëîâ êîíñòðóêöèé. Îäíèì èç êàíäèäàòîâ íà ðîëü àðìèðóþùåãî ìàòåðèàëà äëÿ âûñîêîíàãðóæåííûõ èçäåëèé ñòàëè âîëîêíà íà îñíîâå áîðà. Òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ òàêèõ âîëîêîí ìåòîäîì îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû áûëà ðàçðàáîòàíà â 1959 ãîäó è òîãäà æå áûëà ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ ýòèõ âîëîêîí äëÿ àðìèðîâàíèÿ îðãàíè÷åñêèõ (ïîëèìåðíûõ) ìàòðèö. Ïîëó÷åííûå ìàòåðèàëû îáëàäàëè íåîáõîäèìîé ïðî÷íîñòüþ è æåñòêîñòüþ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ èõ, íàïðèìåð, äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îñíîâíûõ ýëåìåíòîâ ñèëîâîãî êàðêàñà ñàìîëåòîâ. Áîðîïëàñòèêè ñòàëè ïåðâûìè ïðåäñòàâèòåëÿìè íîâîãî êëàññà âûñîêîïðî÷íûõ âûñîêîìîäóëüíûõ ìàòåðèàëîâ. Ïîçæå áûëè ðàçðàáîòàíû äðóãèå òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ êàê áîðíûõ, òàê è àíàëîãè÷íûõ èì ïî ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèì ñâîéñòâàì âîëîêîí èç äðóãèõ ìàòåðèàëîâ: êàðáèäà êðåìíèÿ SiC, áîðèäà òèòàíà TiB2 , êàðáèäà áîðà B 4 C. Íàèáîëüøèé èíòåðåñ ñðåäè ýòèõ è ïîäîáíûõ èì âîëîêîí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êàðáèä-êðåìíèåâîå âîëîêíî, ïîñêîëüêó ïðè ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâûõ ôèçèêîìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè òèïàìè âîëîêîí îíî ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå äåøåâûì. Îñîáîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ðàçðàáîòêå ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì âîëîêîí èç êàðáèäà êðåìíèÿ è ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö. Äðóãèì ïðåäñòàâëÿþùèì ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ âàðèàíòîì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå áîðíûõ âîëîêîí ñ ïîêðûòèåì èç êàðáèäà êðåìíèÿ (¾áîðñèê¿) èëè êàðáèäà áîðà â ñî÷åòàíèè ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè.
2.4.2
Òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ è ñâîéñòâà áîðíûõ âîëîêîí
Áîðîâîëüôðàìîâûå âîëîêíà
Òåõíîëîãèÿ îñàæäåíèÿ áîðà èç ãàçîâîé ôàçû áûëà ðàçðàáîòàíà ñàìîé ïåðâîé è äî ñèõ ïîð îñòàåòñÿ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííîé.  êà÷åñòâå îñíîâû áóäóùåãî âîëîêíà èñïîëüçóåòñÿ âîëüôðàìîâàÿ íèòü äèàìåòðîì 12,5 ìêì, êîòîðàÿ ïîìåùàåòñÿ â áîðñîäåðæàùóþ ãàçîâóþ ñðåäó (ñìåñü âîäîðîäà H2 è òðèõëîðèäà
- 50 1
2 1000
H 2 + BCl3
1400
T, 0C
3 5 6
4
L
Ðèñ. 2.1. Ñõåìà ðåàêòîðà äëÿ îñàæäåíèÿ áîðà è òåìïåðàòóðíûå ïðîôèëè ïî äëèíå ðåàêòîðà: 1 èñõîäíàÿ ïàêîâêà íèòè-îñíîâû; 2 ñåêöèÿ ïðåäâàðèòåëüíîé ïîäãîòîâêè îñíîâû; 3 ðåàêòîð îñàæäåíèÿ áîðà; 4 ïðèåìíûé áàðàáàí äëÿ áîðíîãî âîëîêíà; 5 òåìïåðàòóðà íà âîëüôðàìîâîé íèòè; 6 òåìïåðàòóðà íà óãëåðîäíîé íèòè
áîðà BCl3 ). Íèòü ïîääåðæèâàåòñÿ â ðàñêàëåííîì ñîñòîÿíèè ñ ïîìîùüþ ïðîïóñêàåìîãî ÷åðåç íåå ýëåêòðîòîêà. Äëÿ ðåàëèçàöèè ïðîöåññà îñàæäåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ðåàêòîð, ñõåìà êîòîðîãî ïîêàçàíà íà ðèñóíêå 2.1. Îñíîâíîé ýëåìåíò ðåàêòîðà âåðòèêàëüíàÿ ñòåêëÿííàÿ øàõòà ñ âíóòðåííèì äèàìåòðîì îêîëî 1 ñì, âíóòðè êîòîðîé ïîìåùàåòñÿ âîëüôðàìîâàÿ íèòü. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî êîíòàêòà ñ íèòüþ è ãåðìåòèçàöèè ðåàêòîðà øàõòà ñ îáîèõ êîíöîâ çàêðûâàåòñÿ ðòóòíûìè çàòâîðàìè (åìêîñòè, çàïîëíåííûå ðòóòüþ). Âîëüôðàìîâàÿ íèòü ïîäàåòñÿ â âåðõíþþ ÷àñòü ðåàêòîðà, ãäå èìååòñÿ ñïåöèàëüíàÿ ñåêöèÿ äëÿ î÷èñòêè âîëüôðàìà â àòìîñôåðå èíåðòíûõ ãàçîâ.  ñëåäóþùåé (îñíîâíîé) ñåêöèè ðåàêòîðà ñîäåðæèòñÿ ãàçîâàÿ ñìåñü âîäîðîäà è òðèõëîðèäà áîðà. Òåìïåðàòóðà âîëüôðàìîâîé íèòè â ýòîé ÷àñòè ðåàêòîðà äîñòèãàåò ïðèìåðíî 1350 ◦ C.  ýòîé ÷àñòè è ïðîèñõîäèò ïðîöåññ îñàæäåíèÿ áîðà. Ïðîöåññ ìîæåò ïðîâîäèòüñÿ â îäíó èëè íåñêîëüêî ñòàäèé. Äëèíà ðåàêòîðà ñîñòàâëÿåò ≈ 2 ì. Ñêîðîñòü ïîëó÷åíèÿ âîëîêíà â îäíîì ðåàêòîðå íå ïðåâûøàåò 1 êã â íåäåëþ. Äèàìåòð âîëîêíà îáû÷íî ëåæèò â ïðåäåëàõ 100 . . . 200 ìêì. Äëÿ ðàçîãðåâà âîëüôðàìîâîé íèòè ïðè ïîëó÷åíèè âîëîêîí òàêîé òîëùèíû èñïîëüçóåòñÿ ïîñòîÿííûé òîê. Ïðè ïîëó÷åíèè áîëåå òîëñòûõ âîëîêîí íåîáõîäèìî îáåñïå÷è-
- 51 âàòü çàäàííûé òåìïåðàòóðíûé ïðîôèëü ïî äëèíå ðåàêòîðà, ñ ýòîé öåëüþ äëÿ ðàçîãðåâà ïðîâîëîêè ïðèìåíÿþò ñî÷åòàíèå ïîñòîÿííîãî òîêà ñ ÓÂ×-òîêîì. Ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà âîëîêíà î÷åíü ñèëüíî çàâèñÿò îò òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ïðîöåññà îñàæäåíèÿ. Îòêëîíåíèå ñêîðîñòè îñàæäåíèÿ áîðà îò îïòèìàëüíîé êàê â ñòîðîíó óâåëè÷åíèÿ, òàê è â ñòîðîíó óìåíüøåíèÿ ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïðî÷íîñòè. Èçìåíåíèå òîëùèíû ñëîÿ áîðà ïî äëèíå ïðîâîëîêè â ðåàêòîðå ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âîëîêíà, à ñëåäîâàòåëüíî è ê èçìåíåíèþ ñêîðîñòè îñàæäåíèÿ, Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïîñòîÿíñòâà òåìïåðàòóðíîãî ïðîôèëÿ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ äâóõ- (è áîëåå) ñòàäèéíûå ñõåìû ïîäâîäà òîêà ê âîëîêíó. Íåêîòîðûì íåäîñòàòêîì òàêîé òåõíîëîãèè ÿâëÿåòñÿ âûñîêàÿ ñòîèìîñòü âîëüôðàìà è òðèõëîðèäà áîðà.  êà÷åñòâå çàìåíû äëÿ âîëüôðàìîâîé ïðîâîëîêè èñïîëüçóþòñÿ áîëåå äåøåâûå óãëåðîäíûå âîëîêíà. Áîð îñàæäàåòñÿ íà îñíîâó â ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìå, îäíàêî ðàçìåðû ◦
◦
êðèñòàëëîâ íàñòîëüêî ìàëû (v 20 A, 1 A = 10−10 ì), ÷òî ÷àñòî òàêîé áîð ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê àìîðôíûé. Ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû ðàçìåðû êðèñòàëëîâ áîðà óâåëè÷èâàþòñÿ: ïðè òåìïåðàòóðå 13001400 ◦ C ïîÿâëÿåòñÿ áîëüøîå êîëè÷åñòâî ëîêàëüíûõ êðèñòàëëîâ áîëüøîãî ðàçìåðà, ïðè òåìïåðàòóðå ñâûøå 1400 ◦ C ïðàêòè÷åñêè âåñü áîð îñàæäàåòñÿ â âèäå ïîëèêðèñòàëëîâ ñ ðàçìåðàìè â íåñêîëüêî òûñÿ÷ àíãñòðåì. Òàêàÿ ïîëèêðèñòàëëè÷åñêàÿ ôàçà ïðèâîäèò ê íèçêèì ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàì âîëîêíà, ïîýòîìó åå ñòàðàþòñÿ èçáåãàòü çà ñ÷åò êîíòðîëÿ òåìïåðàòóðû â ðåàêòîðå. Ïàäåíèå ïðî÷íîñòè âîëîêîí â îñíîâíîì âûçâàíî íàëè÷èåì äåôåêòîâ, âîçíèêàþùèõ â ïðîöåññå èçãîòîâëåíèÿ âîëîêíà. Ïîýòîìó îñíîâíàÿ çàäà÷à ïðè ïðîèçâîäñòâå âûñîêîïðî÷íûõ áîðíûõ âîëîêîí ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîå ñíèæåíèå êîëè÷åñòâà òàêèõ äåôåêòîâ. Ê ÷èñëó äåôåêòîâ îòíîñÿòñÿ ó÷àñòêè ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî áîðà, êîòîðûå âîçíèêàþò â çîíàõ ìàêñèìóìà òåìïåðàòóðíîãî ïðîôèëÿ, à òàêæå ïîñòîðîííèå ïðèìåñè, òàêèå êàê êàðáîíèçèðîâàííûå ÷àñòèöû, îêèñü âîëüôðàìà, õëîðèä ðòóòè, îñêîëêè îñíîâû. Ýòè äåôåêòû èìåþò âèä ¾íàðîñòîâ¿ èëè ¾êàïåëü¿ íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè âîëîêíà. Äëÿ ñíèæåíèÿ êîëè÷åñòâà òàêèõ ïîñòîðîííèõ ïðèìåñåé îñíîâó (âîëüôðàìîâóþ ïðîâîëîêó) ïîäâåðãàþò òùàòåëüíîé î÷èñòêå, ïîñëåäíÿÿ ñòàäèÿ êîòîðîé ïðîõîäèò íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä ïîìåùåíèåì ïðîâîëîêè â ðåàêòîð è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàãðåâàíèå ïðîâîëîêè â íåéòðàëüíîì ãàçå (èëè ñìåñè ãàçîâ). Âîëîêíà ìîãóò óâëåêàòü çà ñîáîé ÷àñòèöû, îáðàçîâàâøèåñÿ â ðåçóëüòàòå òðåíèÿ è ñîïðèêîñíîâåíèÿ èõ ñî ñòåíêàìè ðåàêòîðà ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ñèë. Äëÿ èçáåæàíèÿ âîçíèêíîâåíèÿ äåôåêòîâ òàêîãî ðîäà êîíòðîëèðóåòñÿ ïîëîæåíèå ïðîâîëîêè â ðåàêòîðå è åå íàòÿæåíèå. Åùå îäíèì èñòî÷íèêîì äåôåêòîâ ÿâëÿþòñÿ òðåùèíû â ñàìîé âîëüôðàìîâîé ïðîâîëîêå.  öåëîì, ïîâûøåíèå ïðî÷íîñòíûõ êà÷åñòâ
- 52 áîðíûõ âîëîêîí äîñòèãàåòñÿ ïðèìåíåíèåì öåëîé ñèñòåìû ìåð ïî îáåñïå÷åíèþ òðåáóåìûõ ïàðàìåòðîâ òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà, íàïðàâëåííûõ íà ñíèæåíèå êîëè÷åñòâà äåôåêòîâ âîëîêíà. Ïîâåðõíîñòü áîðíûõ âîëîêîí èìååò çåðíèñòóþ, ¾êîëîñîîáðàçíóþ¿ ñòðóêòóðó. Êàæäîå çåðíî îáðàçóåòñÿ íà ìåñòå îòäåëüíîãî çàðîäûøåâîãî ó÷àñòêà íà ïîâåðõíîñòè îñíîâû, êîòîðàÿ íèêîãäà íå ÿâëÿåòñÿ àáñîëþòíî ãëàäêîé. Ñðåäíèé ïðåäåë ïðî÷íîñòè áîðîâîëüôðàìîâûõ âîëîêîí ïðåâûøàåò 3500 ÌÏà. Äëÿ íåêîòîðûõ âîëîêîí ïðè ñïåöèàëüíûõ óñëîâèÿõ íàãðóæåíèÿ (îòñóòñòâèå èçãèáà, îòñóòñòâèå òåêó÷åñòè ïî ãðàíèöå ñåðäöåâèíà áîð) ïðåäåë ïðî÷íîñòè äîñòèãàåò 7000 ÌÏà. Èìåþòñÿ ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé, êîòîðûå ïîêàçûâàþò, ÷òî çà ñ÷åò ïðèìåíåíèÿ ñïåöèàëüíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî óâåëè÷åíèå ïðåäåëà ïðî÷íîñòè áîðíûõ âîëîêîí áîëåå 7000 ÌÏà. Òàêîå óâåëè÷åíèå äîñòèãíóòî äëÿ âîëîêîí ñðåäíåé òîëùèíû, êîòîðûå ïîñëå èçãîòîâëåíèÿ ðàçðåçàëèñü íà êîðîòêèå ýëåìåíòû, ó êîòîðûõ óäàëÿëñÿ âîëüôðàìîâûé ñåðäå÷íèê. Äîïîëíèòåëüíî ïðèìåíÿëàñü îáðàáîòêà ãîðÿ÷åé àçîòíîé êèñëîòîé äëÿ óäàëåíèÿ äåôåêòîâ ïîâåðõíîñòè âîëîêîí è ëþáûõ îñòðûõ ýëåìåíòîâ íà ïîâåðõíîñòè, êîòîðûå ìîãëè áû ñëóæèòü êîíöåíòðàòîðàìè íàïðÿæåíèé. Îñíîâíîå íàïðàâëåíèå èññëåäîâàíèé ïî ïîâûøåíèþ ïðî÷íîñòè áîðíûõ âîëîêîí çàêëþ÷àåòñÿ â ïîèñêå óñëîâèé ìàêñèìàëüíîé ðåàëèçàöèè ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ ñàìîãî âîëîêíà, à òàêæå â îïðåäåëåíèè âîçìîæíîñòåé ðåàëèçàöèè ïîòåíöèàëüíûõ ñâîéñòâ âîëîêíà â ñîñòàâå êîìïîçèòà. Îáíàðóæåíî, ÷òî ïðåäåë ïðî÷íîñòè âîëîêíà ìîæåò âîçðàñòàòü ïðè óìåíüøåíèè òîëùèíû âíåøíåãî ñëîÿ. Îñíîâíûìè ôàêòîðàìè, âëèÿþùèìè íà ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà âîëîêîí, ÿâëÿþòñÿ íàëè÷èå äåôåêòîâ â ñëîå áîðà ëèáî íà åãî âíåøíåé è âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòÿõ, à òàêæå ñîñòîÿíèå ãðàíèöû ¾áîðîñíîâà¿ è óðîâåíü íàïðÿæåíèé, äåéñòâóþùèõ íà ýòîé ãðàíèöå. Áîðîóãëåðîäíûå âîëîêíà
Îñíîâíàÿ ðîëü âîëüôðàìîâîé ïðîâîëîêè ïðè ïðîèçâîäñòâå áîðíûõ âîëîêîí çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îíà îáðàçóåò òîêîïðîâîäÿùóþ îñíîâó, íà êîòîðóþ îñàæäàåòñÿ áîð. Óãëåðîäíûå âîëîêíà ìîãóò èñïîëíÿòü ýòó ðîëü ñ íå ìåíüøèì óñïåõîì ïî ñðàâíåíèþ ñ âîëüôðàìîâîé ïðîâîëîêîé. Åäèíñòâåííîé ïðîáëåìîé ïðè èñïîëüçîâàíèè óãëåðîäíûõ âîëîêîí ÿâëÿåòñÿ ñïîñîáíîñòü áîðà óäëèíÿòüñÿ â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ. Âåëè÷èíà äåôîðìàöèè áîðà ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì òîëùèíû áîðíîãî âîëîêíà è ïðè òîëùèíå ñëîÿ áîðà â 54 ìêì ìîæåò äîñòèãàòü 2 %, ÷òî ïðåâûøàåò äåôîðìàöèþ ðàçðóøåíèÿ óãëåðîäíîãî âîëîêíà. Ðàçðóøåíèå óãëåðîäíîé îñíîâû îòìå÷àåòñÿ óæå ïðè òîëùèíå ñëîÿ áîðà îêîëî 22 ìêì. Ðàçðóøåíèå Ó íà÷èíàåòñÿ â íàèáîëåå ñëàáîì ñå÷åíèè, ïîñëå ÷åãî ïî âîëîêíó ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ
- 53 óäàðíûå âîëíû, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê ïîñëåäóþùèì ìíîæåñòâåííûì ðàçðóøåíèÿì. Ðàçðóøåíèå íîñèò êàòàñòðîôè÷åñêèé õàðàêòåð. Ðàçðóøåíèå îñíîâû ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîâðåæäåíèåì âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè áîðíîãî ñëîÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ó÷àñòêîâ êîíöåíòðàöèè íàïðÿæåíèé íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè âîëîêíà, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ñíèæàþò ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè áîðíîãî âîëîêíà. Ïðåäåëüíûé äèàìåòð áîðíûõ âîëîêîí ñ óãëåðîäíîé îñíîâîé 75 ìêì. Äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå äèàìåòðà ïðèâîäèò ê ðåçêîìó óõóäøåíèþ ñâîéñòâ êîíå÷íîãî ïðîäóêòà. Âîçìîæíîñòü óâåëè÷åíèÿ äèàìåòðà áîðíûõ âîëîêîí áåç ñóùåñòâåííîãî ñíèæåíèÿ ïðî÷íîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê áûëà äîñòèãíóòà çà ñ÷åò ïîâûøåíèÿ êà÷åñòâà ïîâåðõíîñòè óãëåðîäíîãî âîëîêíà. Ïîâûøåíèå êà÷åñòâà ïîâåðõíîñòè äîñòèãàåòñÿ ïðåäâàðèòåëüíûì ñîçäàíèåì íà ïîâåðõíîñòè óãëåðîäíîãî âîëîêíà ñëîÿ ïèðîëèòè÷åñêîãî ãðàôèòà. Òàêîé ñëîé ïðåïÿòñòâóåò ïîâðåæäåíèþ âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè áîðíîãî âîëîêíà, ñïîñîáñòâóÿ òåì ñàìûì ïîâûøåíèþ óðîâíÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê. Äèàìåòð áîðíûõ âîëîêîí, ïîëó÷åííûõ ïî òàêîé òåõíîëîãèè äîñòèãàåò 120 ìêì. Ïðî÷íîñòü âîëîêîí ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò óñëîâèé îñàæäåíèÿ áîðà íà ñëîé ïèðîëèòè÷åñêîãî ãðàôèòà. Ðåàêòîðû, â êîòîðûõ ðåàëèçóåòñÿ äàííàÿ òåõíîëîãèÿ ïðîèçâîäñòâà áîðíûõ âîëîêîí, èìåþò äîïîëíèòåëüíûé ó÷àñòîê îñàæäåíèÿ íà óãëåðîäíóþ îñíîâó ïèðîëèòè÷åñêîãî ãðàôèòà. Äëèíà òàêîãî ó÷àñòêà îêîëî 10 ñì. Íåïîñðåäñòâåííî çà ýòèì ó÷àñòêîì íà÷èíàåòñÿ îñàæäåíèå áîðà. Îäíà èç îñíîâíûõ ïðîáëåì âîçìîæíîñòü çàãðÿçíåíèÿ ïîâåðõíîñòè îñàæäåííîãî ãðàôèòà, ïîýòîìó ó÷àñòêè îñàæäåíèÿ ïèðîëèòè÷åñêîãî ãðàôèòà è áîðà ñëåäóþò íåïîñðåäñòâåííî îäèí çà äðóãèì. Èñïîëüçîâàíèå óãëåðîäíûõ âîëîêîí ïîçâîëÿåò çà ñ÷åò èõ òåìïåðàòóðíûõ õàðàêòåðèñòèê âûäåðæèâàòü ïî÷òè ïîñòîÿííûé ïðîôèëü òåìïåðàòóðû ïî äëèíå âîëîêíà, â îòëè÷èå îò âîëüôðàìîâîé ïðîâîëîêè, ãäå ïîääåðæàíèå òðåáóåìîãî ïðîôèëÿ òðåáóåò îïðåäåëåííûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ óõèùðåíèé. Áîëåå âûñîêàÿ ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà â ðåàêòîðå äëÿ îñàæäåíèÿ áîðà íà Ó ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ïðîèçâîäèòåëüíîñòè ðåàêòîðà ïðèìåðíî íà 40 %. Áîðîóãëåðîäíûå âîëîêíà èìåþò ïðèìåðíî íà 10 % ìåíüøèé ìîäóëü óïðóãîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ áîðîâîëüôðàìîâûìè âîëîêíàìè. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ìîäóëÿ óïðóãîñòè êîìïîçèòà â öåëîì ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ ïðèåì óâåëè÷åíèÿ îáúåìíîé äîëè âîëîêîí â ñîñòàâå ìàòåðèàëà, íî ñëåäóåò ó÷èòûâàòü, ÷òî ýòî îáû÷íî ñîïðîâîæäàåòñÿ ñíèæåíèåì ïîïåðå÷íîé ïðî÷íîñòè, äåôîðìàöèè ïðè ðàçðóøåíèè è äðóãèõ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê.  öåëîì, óðîâåíü ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê áîðîóãëåðîäíûõ âîëîêîí äîñòàòî÷íî âûñîê, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü èõ ïðè ïðîèçâîäñòâå âûñîêîíàãðóæåííûõ îòâåòñòâåííûõ ýëåìåíòîâ
- 54 êîíñòðóêöèé, íàïðèìåð, ïðè èçãîòîâëåíèè õâîñòîâûõ äåòàëåé ñàìîëåòîâ (F-14, F-15).
2.4.3
Êàðáèä-êðåìíèåâûå âîëîêíà
Èíòåðåñ ê êàðáèä-êðåìíèåâûì âîëîêíàì ïîÿâèëñÿ â ñâÿçè ñ íåîáõîäèìîñòüþ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîïðî÷íûõ âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí, êîòîðûå ìîãëè áû áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòîâ ñ ìåòàëëè÷åñêèìè è îðãàíè÷åñêèìè ìàòðèöàìè. Îäíèì èç âàðèàíòîâ ðåøåíèÿ ïðîáëåìû ñòàëè áîðíûå âîëîêíà, äðóãèì áëèçêèå ê íèì ïî ñâîèì ìåõàíè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì êàðáèäêðåìíèåâûå (SiC) âîëîêíà. Ýòè âîëîêíà áûëè ïîëó÷åíû â êîíöå 60-õ ãîäîâ 20 âåêà. Ïðåäåë ïðî÷íîñòè òàêèõ âîëîêîí ñîñòàâëÿë 2800 . . . 3500 ÌÏà. Èññëåäîâàëèñü âîçìîæíîñòè ïîâûøåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê òàêèõ âîëîêîí çà ñ÷åò ìîäèôèöèðîâàíèÿ èõ áîðîì èëè ñìåñüþ òèòàíà è áîðà. Ïðè èñïîëüçîâàíèè â êà÷åñòâå îñíîâû SiC-âîëîêîí óãëåðîäíûõ ìîíîíèòåé áûë äîñòèãíóò ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïîðÿäêà 7000 ÌÏà. Êàðáèä-êðåìíèåâûå âîëîêíà îêàçàëèñü áîëåå ïðèãîäíû äëÿ àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòîâ ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè, ÷åì áîðíûå âîëîêíà. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî áîðíûå âîëîêíà áûñòðî òåðÿþò ñâîè ñâîéñòâà ïðè õèìè÷åñêîì âçàèìîäåéñòâèè ñ ðàñïëàâîì ìåòàëëà, â ÷àñòíîñòè, àëþìèíèåì, ÷òî çàòðóäíÿåò èñïîëüçîâàíèå èõ äëÿ àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòîâ ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè. Êðîìå òîãî, ñòîèìîñòü èñõîäíûõ ìàòåðèàëîâ, ïðèìåíÿåìûõ äëÿ ïðîèçâîäñòâà SiC-âîëîêîí îêàçàëàñü çíà÷èòåëüíî íèæå, ÷åì â ñëó÷àå áîðíûõ âîëîêîí, à ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ñàìîãî ïðîöåññà ïîëó÷åíèÿ âûøå. Èìåííî ôàêòîð ñòîèìîñòè ïðîèçâîäñòâà çà÷àñòóþ îêàçûâàåòñÿ ðåøàþùèì ïðè âûáîðå òèïà àðìèðóþùèõ âîëîêîí ïðè èçãîòîâëåíèè êîíêðåòíûõ èçäåëèé è âëèÿåò íà îáúåìû ïðîèçâîäñòâà áîðíûõ è êàðáèä-êðåìíèåâûõ âîëîêîí. Ïîëó÷åíèå SiC-âîëîêîí
Ñõåìà òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà ïîëó÷åíèÿ SiC-âîëîêîí î÷åíü ñõîæà ñ òåõíîëîãèåé ïîëó÷åíèÿ áîðíûõ âîëîêîí ñ îñíîâîé èç óãëåðîäíûõ âîëîêîí. Âìåñòî òðèõëîðèäà áîðà â ðåàêòîð ïîäàåòñÿ ñìåñü âîäîðîäà ñ ñèëàíàìè (êðåìíèéñîäåðæàùèìè ìàòåðèàëàìè). Äîïîëíèòåëüíûì óñòðîéñòâîì ÿâëÿåòñÿ öèðêóëÿöèîííî-î÷èñòèòåëüíàÿ ñèñòåìà, ïðåäíàçíà÷åííàÿ äëÿ ïîääåðæàíèÿ íåîáõîäèìîãî êîëè÷åñòâà êðåìíèÿ â íóæíîé ôîðìå â ðàáî÷åì ïðîñòðàíñòâå ðåàêòîðà. Òîëùèíà âîëîêîí ñîñòàâëÿåò 100 . . . 200 ìêì.  êà÷åñòâå îñíîâû ïðè ïðîèçâîäñòâå SiC-âîëîêîí ïðèìåíÿþòñÿ êàê âîëüôðàìîâàÿ ìèêðîïðîâîëîêà, òàê è óãëåðîäíûå âîëîêíà.
- 55 Ñâîéñòâà SiC-âîëîêîí
Ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà SiC-âîëîêîí, êàê è áîðíûõ, îïðåäåëÿþòñÿ â îñíîâíîì íàëè÷èåì äåôåêòîâ. Ëîêàëüíûå ñòðóêòóðû âîëîêíà îáóñëîâëåíû äåôåêòàìè ïîâåðõíîñòè îñíîâû, ïîñòîðîííèìè ÷àñòèöàìè íà ýòîé ïîâåðõíîñòè, ëîêàëüíûì èçìåíåíèåì ñâîéñòâ âîëîêíà îñíîâû è ò. ï. Òàêèå äåôåêòû ïðèâîäÿò ê ïîÿâëåíèþ íàïðÿæåíèé íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè âîëîêíà äàæå â ñëó÷àå îñàæäåíèÿ íà îñíîâó ïèðîëèòè÷åñêîãî ãðàôèòà (çàëå÷èâàíèÿ ïîâåðõíîñòè îñíîâû). Êàðáèä-êðåìíèåâûå âîëîêíà îáëàäàþò âûñîêèìè óïðóãèìè ñâîéñòâàìè: ìîäóëü óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè ñîñòàâëÿåò v 450 ÃÏà (äëÿ ñðàâíåíèÿ: áîðíûå âîëîêíà v 400 ÃÏà, ñòàëü v 200 ÃÏà, àëþìèíèé v 70 ÃÏà). Ïëîòíîñòü êàðáèäêðåìíèåâûõ âîëîêîí ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 3100 êã/ì3 , ïëîòíîñòü áîðíûõ âîëîêîí 2300 . . . 2500 êã/ì3 â çàâèñèìîñòè îò îñíîâû (âîëîêíà íà óãëåðîäíîé îñíîâå èìåþò îáû÷íî ìåíüøóþ ïëîòíîñòü). Ñòðóêòóðà SiC-âîëîêîí
Êàðáèä êðåìíèÿ îñàæäàåòñÿ íà îñíîâó â ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìå, ïðè◦
÷åì ðàçìåðû êðèñòàëëîâ (v 275 A) áîëüøå, ÷åì â ñëó÷àå îñàæäåíèÿ áîðà.  ◦
íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ðàçìåðû êðèñòàëëîâ SiC äîñòèãàþò 1000 A. Ïîâåðõíîñòü âîëîêîí ãëàäêàÿ, øåðîõîâàòîñòü ïîâåðõíîñòè îáû÷íî ÿâëÿåòñÿ ïðèçíàêîì íàðóøåíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðîöåññà îñàæäåíèÿ è ñîïðîâîæäàåòñÿ ñíèæåíèåì ïðî÷íîñòíûõ êà÷åñòâ. Âîëîêíà ñ óãëåðîäíûìè íèòÿìè â êà÷åñòâå îñíîâû ñïîñîáíû â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè âûäåðæèâàòü âîçäåéñòâèå âûñîêèõ òåìïåðàòóð áåç ïðîÿâëåíèÿ êàêîé-ëèáî õèìè÷åñêîé àêòèâíîñòè. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî ñëóæèò îñíîâàíèåì äëÿ øèðîêîãî èñïîëüçîâàíèÿ òàêèõ âîëîêîí â ñî÷åòàíèè ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ìàòðèöàìè, êîãäà âîëîêíî äëèòåëüíîå âðåìÿ êîíòàêòèðóåò ñ æèäêèì ìåòàëëîì â ïðîöåññå ïðîïèòêè. Ïðè èñïîëüçîâàíèè âîëîêîí íà âîëüôðàìîâîé îñíîâå ïðè âûñîêîòåìïåðàòóðíîì âîçäåéñòâèè èìååò ìåñòî äèôôóçèÿ àòîìîâ óãëåðîäà â âîëüôðàì ñ îáðàçîâàíèåì ãðàíè÷íîãî ñëîÿ êàðáèäà âîëüôðàìà, êîòîðûé ïðèâîäèò ê ïîòåðå ïðî÷íîñòè âîëîêíà.
2.4.4
Âûñîêîìîäóëüíûå âîëîêíà ñ ïîêðûòèÿìè
Ïðîáëåìà ðåàãèðîâàíèÿ áîðíûõ âîëîêîí ñ ìåòàëëàìè ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ñåðüåçíîé, òåì áîëåå, ÷òî òàêèå òåìïåðàòóðû õàðàêòåðíû äëÿ óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè èçäåëèé èç êîìïîçèòîâ íà èõ îñíîâå. Ðåàãèðîâàíèå ñ òèòàíîì èìååò ìåñòî ïðè 900 . . . 950 ◦ C, ñ àëþìèíèåì ïðè 500 ◦ C. Ðåàãèðîâàíèå çàêëþ÷àåòñÿ â îáðàçîâàíèè äèôôóçèîííûõ ñëîåâ íà ãðàíèöå áîðà
- 56 è îñíîâû, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê ñíèæåíèþ ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ âîëîêîí. Ïðîöåññ ðàçóïðî÷íåíèÿ èìååò êàòàñòðîôè÷åñêèé õàðàêòåð ïðè ïðåâûøåíèè òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ ìåòàëëà. Ïîëó÷åíèå êîìïîçèöèé èç òèòàíà èëè àëþìèíèÿ ñ áîðíûì âîëîêíîì âîçìîæíî òîëüêî ïðè èñïîëüçîâàíèè ñïåöèàëüíûõ ïîêðûòèé, ïðåäîòâðàùàþùèõ äèôôóçèîííûå ïðîöåññû íà ãðàíèöå áîðà è îñíîâû.  êà÷åñòâå òàêèõ ïîêðûòèé îáû÷íî èñïîëüçóþò êàðáèä êðåìíèÿ SiC èëè êàðáèä áîðà B4 C. Âîëîêíà ñ ïîêðûòèåì èç êàðáèäà áîðà èçâåñòíû ïîä íàçâàíèåì ¾Áîðñèê¿ (òîðãîâàÿ ìàðêà). Òîëùèíà ñëîÿ ïîêðûòèÿ ñîñòàâëÿåò 110 ìêì. Óñëîâèÿ îñàæäåíèÿ ïîêðûòèÿ íà âîëîêíî îêàçûâàåò ñèëüíîå âëèÿíèå íà ðåçóëüòèðóþùèå ñâîéñòâà, ÷òî ïðèâîäèò ê ïðîòèâîðå÷èâûì îöåíêàì ýôôåêòèâíîñòè òîé èëè èíîé òåõíîëîãèè íàíåñåíèÿ ïîêðûòèÿ è åãî ñîñòàâà.  ïîñëåäíåå âðåìÿ áîëüøåå ïðèìåíåíèå íàõîäÿò ïîêðûòèÿ èç êàðáèäà áîðà. Âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå è äðóãèõ ìàòåðèàëîâ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïîêðûòèé íà ïîâåðõíîñòè áîðíûõ âîëîêîí, â ÷àñòíîñòè íèòðèäà áîðà (BN) â âèäå ïëåíîê òîëùèíîé 0,5 ìêì. Îäíàêî â äàííîì ñëó÷àå âîçíèêàåò ïðîáëåìà ñëàáîé ñâÿçè ïîêðûòèÿ ñ ìåòàëëè÷åñêîé ìàòðèöåé, ÷òî îñëàáëÿåò ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà êîìïîçèòà â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè. Àíàëîãè÷íûå èññëåäîâàíèÿ âåäóòñÿ â îòíîøåíèè êàðáèä-êðåìíèåâûõ âîëîêîí ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèöèé ýòèõ âîëîêîí ñî ñâåðõòâåðäûìè ñïëàâàìè. Íàëè÷èå äèôôóçèîííîãî áàðüåðà ïîçâîëÿåò âîëîêíàì SiC âûäåðæèâàòü âîçäåéñòâèå òåìïåðàòóð ïîðÿäêà 1000 . . . 1100 ◦ C â òå÷åíèå ñîòåí ÷àñîâ.  êà÷åñòâå ìàòåðèàëà äëÿ ïîêðûòèé ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ êàðáèä âîëüôðàìà (WC), êàðáèä òàíòàëà (TaC), êàðáèä ãàôíèÿ (HfC) è êàðáèä òèòàíà (TiC).
2.4.5
Ïåðåðàáîòêà âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí
Áîëüøàÿ ÷àñòü áîðíûõ âîëîêîí âûïóñêàåòñÿ â âèäå íåïðåðûâíûõ ëåíò, ìàòîâ èëè ëèñòîâ, ïðîïèòàííûõ ýïîêñèäíûì ñâÿçóþùèì (ïðåïðåãîâ). Øèðèíà ëåíò ìîæåò âàðüèðîâàòüñÿ îò 0,64 ñì äî 122 ñì. Áîðíûå âîëîêíà çàíèìàþò îêîëî 50 % îáúåìà (6570 % ìàññû). Îñîáîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ñòðîãîé îðèåíòàöèè âîëîêîí ïðè ôîðìèðîâàíèè ëåíòî÷íûõ ïðåïðåãîâ. Òèïè÷íàÿ ïëîòíîñòü óêëàäêè âîëîêîí 78,7 ìîíîâîëîêîí íà 1 ñì. Ëåíòû ïåðåêëàäûâàþòñÿ òîíêèìè ñòåêëîâîëîêîííûìè õîëñòàìè, ïðåäíàçíà÷åííûìè â îñíîâíîì äëÿ ñîõðàíåíèÿ îðèåíòàöèè áîðíûõ âîëîêîí, à òàêæå äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ñëèïàíèÿ áîðîýïîêñèäíûõ ëåíò. Õðàíÿòñÿ è òðàíñïîðòèðóþòñÿ òàêèå ïàêåòû ïðè ïîíèæåííîé òåìïåðàòóðå. Ñðîê õðàíåíèÿ ïðè òåìïåðàòóðå −18 ◦ C ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî ëåò áåç ïîòåðè êà÷åñòâà. Ôîðìîâàíèå èçäåëèé èç áîðîïëàñòèêîâ (ïàíåëåé è ïðîôèëåé) ÷àùå âñåãî ïðîèçâîäÿò ìåòîäîì àâòîêëàâíîãî ïðåññîâàíèÿ ïðè äàâëåíèè 350 . . . 600 Ïà.
- 57 Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà âûñîêîïðî÷íûõ âîëîêîí ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 2.3: ïðèâåäåíû òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ïëîòíîñòè (ρ), ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè (σb+ ), ìîäóëÿ Þíãà ïðè ðàñòÿæåíèè (E + ) è äèàìåòðà (d) âîëîêîí. Òàáëèöà 2.3. Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà âûñîêîïðî÷íûõ âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí
Áîðíûå Al2 O3 SiC T iC B4 C BN
2.4.6
d, ìêì 100300 20500 1015 280 50 7
ρ, êã/ì3 2600 3960 24002700 4900 2500 1900
σb+ , ÌÏà 25003700 24004100 2700 1500 21002500 1400
E + , ÃÏà 390420 470530 185 450 480 90
Ïðèìåíåíèå áîðíûõ âîëîêîí
Îñíîâíûì äîñòîèíñòâîì áîðíûõ âîëîêîí ÿâëÿþòñÿ èõ âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà è ìàëûé âåñ.  ñî÷åòàíèè ñ àëþìèíèåâûìè ìàòðèöàìè ýòè âîëîêíà äîâîëüíî øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â àâèàñòðîåíèè.  ñî÷åòàíèè ñ ýïîêñèäíûì ñâÿçóþùèì îíè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ñîçäàíèÿ âûñîêîíàãðóæåííûõ âíåøíèõ ïàíåëåé ñàìîëåòîâ. Øàéáû è ïðîêëàäêè èç áîðîïëàñòèêà ïðèìåíÿþò â áîëòîâûõ ñîåäèíåíèÿõ äëÿ óëó÷øåíèÿ óñòàëîñòíûõ ñâîéñòâ ìåòàëëîâ. Áîðàëþìèíèåâûå êîìïîçèöèè èñïîëüçîâàëèñü ïðè èçãîòîâëåíèè êîðïóñîâ êîðàáëåé òèïà ¾Øàòòë¿.  íàñòîÿùåå âðåìÿ òàêèå êîìïîçèöèè ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè âûñîêîêà÷åñòâåííîãî ñïîðòèâíîãî èíâåíòàðÿ (òåííèñíûå ðàêåòêè, âåëîñèïåäû è ò. ä.), õîòÿ ñòîèìîñòü òàêèõ èçäåëèé åùå ñëèøêîì âûñîêà äëÿ èõ ìàññîâîãî ïðîèçâîäñòâà. Ãîðàçäî ÷àùå â ýòîé îáëàñòè ïðèìåíÿþòñÿ áîðîïëàñòèêè, êîòîðûå íàðÿäó ñ âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè èìåþò ñóùåñòâåííî ìåíüøóþ ñòîèìîñòü. Ñôåðà ïðèìåíåíèÿ áîðíûõ è êàðáèä-êðåìíèåâûõ âîëîêîí ïîñòîÿííî ðàñøèðÿåòñÿ. 2.5
2.5.1
Óãëåðîäíûå âîëîêíà
Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà
Óãëåðîäíûå âîëîêíà ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ âèäîâ àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ, ïðèìåíÿåìûõ äëÿ ñîçäàíèÿ âûñîêîìîäóëüíûõ âûñîêîïðî÷íûõ êîìïî-
- 58 çèòíûõ ìàòåðèàëîâ. Ðàñïðîñòðàíåíèå Ó ñâÿçàíî â ïåðâóþ î÷åðåäü ñ èõ âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Ïîòåíöèàëüíûå âîçìîæíîñòè Ó îïðåäåëÿþòñÿ ñòðîåíèåì êðèñòàëëîâ ãðàôèòà, èç êîòîðîãî îíè ñîñòîÿò, è òåîðåòè÷åñêèìè çíà÷åíèÿìè õàðàêòåðèñòèê åãî ñâîéñòâ.  èäåàëüíîì êðèñòàëëå ãðàôèòà àòîìû óãëåðîäà ñãðóïïèðîâàíû ïî áàçîâûì ïëîñêîñòÿì.  êàæäîé ïëîñêîñòè àòîìû ñâÿçàíû ñèëàìè õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (êîâàëåíòíûå ñâÿçè), ìåæäó ïëîñêîñòÿìè äåéñòâóþò ñðàâíèòåëüíî ñëàáûå ñèëû ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (âàí-äåð-âààëüñîâûå ñèëû). Òåîðåòè÷åñêèå ïðåäåë ïðî÷íîñòè è ìîäóëü óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè âäîëü àòîìíûõ ïëîñêîñòåé ñîñòàâëÿþò ñîîòâåòñòâåííî 100 è 1000 ÃÏà (äëÿ ñðàâíåíèÿ ðåàëüíûé ìîäóëü óïðóãîñòè ñòàëè ðàâåí 200 ÌÏà). Çíà÷åíèÿ õàðàêòåðèñòèê â íàïðàâëåíèè íîðìàëè ê àòîìíûì ïëîñêîñòÿì çíà÷èòåëüíî íèæå, íàïðèìåð, ìîäóëü óïðóãîñòè ðàâåí 35 ÃÏà. Ðåàëüíûå êðèñòàëëû ãðàôèòà îòëè÷àþòñÿ î èäåàëüíûõ òåì, ÷òî èõ àòîìíûå ◦
◦
ïëîñêîñòè ðàñïîëîæåíû äàëüøå äðóã îò äðóãà (3,40 . . . 3,45 A âìåñòî 3,35 A), à ñòåïåíü îðèåíòàöèè ñàìèõ ïëîñêîñòåé îòíîñèòåëüíî îñè êðèñòàëëà ñóùåñòâåííî íèæå.  ñâÿçè ñ ýòèì çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ðåàëüíûõ êðèñòàëëîâ ãðàôèòà íèæå ñâîèõ òåîðåòè÷åñêèõ çíà÷åíèé.  çàâèñèìîñòè îò ñòåïåíè ðåàëèçàöèè ïîòåíöèàëüíûõ ñâîéñòâ âîëîêíà ïðèíÿòî ïîäðàçäåëÿòü íà è . Ãðàôèòîâûìè íàçûâàþò âîëîêíà ñ âûñîêîé ñòåïåíüþ îðèåíòàöèè àòîìíûõ ïëîñêîñòåé, ÷òî ïðîÿâëÿåòñÿ â âûñîêèõ çíà÷åíèÿõ ìîäóëÿ óïðóãîñòè (áîëåå 345 ÃÏÀ), óãëåðîäíûìè âîëîêíà ñ áîëåå íèçêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè (ìîäóëü óïðóãîñòè íå ïðåâûøàåò 345 ÃÏà). Îáùåïðèíÿòàÿ òåõíîëîãèÿ ïðîèçâîäñòâà óãëåðîäíûõ âîëîêîí îñíîâàíà íà òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêå ðàçëè÷íûõ îðãàíè÷åñêèõ âîëîêîí: ãèäðàòöåëëþëîçíûõ (ÃÒÖ), ïîëèàêðèëîíèòðèëüíûõ (ÏÀÍ), ïåêà, ïîëèýôèðîâ, ïîëèàìèäîâ è äð. ïîëèìåðîâ. Íàèáîëåå ïðèãîäíûìè ïî ðàçíûì ïðè÷èíàì (âêëþ÷àÿ òåõíîëîãè÷åñêèå è ýêîíîìè÷åñêèå) îêàçàëèñü ÃÒÖ (âèñêîçíûå), ÏÀÍ è ïåêè. Ïåðâûå Ó áûëè ïîëó÷åíû â 1880 ãîäó è èñïîëüçîâàëèñü â ëàìïàõ íàêàëèâàíèÿ äî íà÷àëà ïðèìåíåíèÿ âîëüôðàìîâîé ïðîâîëîêè. Ýòè âîëîêíà ïîëó÷àëèñü â ðåçóëüòàòå ïèðîëèçà õëîïêîâîãî èëè ãèäðàòöåëëþëîçíîãî âîëîêíà. Îòëè÷àëèñü õðóïêîñòüþ è âûñîêîé ïîðèñòîñòüþ. Âòîðè÷íî èíòåðåñ ê Ó ïîÿâèëñÿ â ñåðåäèíå 20 â., êîãäà âåëèñü ïîèñêè ìàòåðèàëîâ, ïðèãîäíûõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå êîìïîíåíòîâ êîìïîçèòîâ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ðàêåòíûõ äâèãàòåëåé. Ó ïî ñâîèì êà÷åñòâàì îêàçàëèñü îäíèìè èõ íàèáîëåå ïîäõîäÿùèõ äëÿ òàêîé ðîëè àðìèðóþùèìè ìàòåðèàëàìè. Õàðàêòåðíûå îñîáåííîñòè ÓÂ: âûñîêàÿ òåðìîñòîéêîñòü, õîðîøèå òåïëîèçîëÿöèîííûå ñâîéñòâà, êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü ê âîçäåéñòâèþ ãàçîâûõ è æèäêèõ
ãðàôèòîâûå óãëåðîäíûå
- 59 ñðåä, âûñîêèå óäåëüíûå ïðî÷íîñòü è æåñòêîñòü. Ïðè èçãîòîâëåíèè óãëåðîäíûõ âîëîêîí íîâîãî ïîêîëåíèÿ ïðèìåíÿëàñü ñòóïåí÷àòàÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ îáðàáîòêà ÃÒÖ-âîëîêîí (900, 2500 ◦ C), ÷òî ïîçâîëèëî äîñòè÷ü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè 330 . . . 1030 ÌÏà è ìîäóëÿ óïðóãîñòè 40 ÃÏà. Íåñêîëüêî ïîçäíåå (â 1960 ã.) áûëà ïðåäëîæåíà òåõíîëîãèÿ ïðîèçâîäñòâà ¾óñîâ¿ ãðàôèòà ñ ïðî÷íîñòüþ 20 ÃÏà è ìîäóëåì óïðóãîñòè 690 ÃÏà. ¾Óñû¿ âûðàùèâàëèñü â ýëåêòðè÷åñêîé äóãå ïðè òåìïåðàòóðå 3600 ◦ C è äàâëåíèè 0,27 ÌÏà (2,7 àòì). Ñîâåðøåíñòâîâàíèþ ýòîé òåõíîëîãèè óäåëÿëîñü ìíîãî âðåìåíè è âíèìàíèÿ íà ïðîòÿæåíèè ðÿäà ëåò. Ïðàêòè÷åñêè îäíîâðåìåííî ñ òåõíîëîãèåé ïðîèçâîäñòâà ãðàôèòîâûõ ¾óñîâ¿ áûë ïðåäëîæåí ìåòîä ïîëó÷åíèÿ Ó èç ïîëèàêðèëíèòðèëà (ÏÀÍ). Õàðàêòåðèñòèêè ïåðâûõ ÏÀÍ-âîëîêîí áûëè íåâûñîêè, íî ïîñòåïåííî òåõíîëîãèÿ ñîâåðøåíñòâîâàëàñü è óæå ÷åðåç 10 ëåò (ê 1970) áûëè ïîëó÷åíû ÏÀÍ-âîëîêíà ñ ïðåäåëîì ïðî÷íîñòè 2070 ÌÏà è ìîäóëåì óïðóãîñòè 480 ÃÏà. Ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ ÏÀÍ-âîëîêîí ñ åùå áîëåå âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè: ìîäóëü óïðóãîñòè äî 800 ÃÏà, ïðåäåë ïðî÷íîñòè áîëåå 3 ÃÏà. Ïîçæå âñåõ îñòàëüíûõ áûëà ïðåäëîæåíà òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ Ó èç ïåêîâ. ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òåðìîïëàñòè÷íûå ñìåñè ïîëèöèêëè÷åñêèõ àðîìàòè÷åñêèõ óãëåâîäîðîäîâ. ×àùå âñåãî ïåêè ïîëó÷àþò â ïðîöåññå ïåðåðàáîòêè êàìåííîóãîëüíîé ñìîëû èëè íåôòè. Ïðè íàãðåâàíèè äî òåìïåðàòóðû îêîëî 400 ◦ C ïåêè ïðåòåðïåâàþò ðàçëè÷íûå èçìåíåíèÿ: èç íèõ óëåòó÷èâàþòñÿ íèçêîìîëåêóëÿðíûå ñîåäèíåíèÿ, ïðîèñõîäÿò ïîëèìåðèçàöèÿ, ðàçðûâ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé è ïåðåãðóïïèðîâêà ìîëåêóëÿðíûõ ñòðóêòóð. Ïðè òåìïåðàòóðå âûøå 400 ◦ C â èçîòðîïíîì æèäêîì ïåêå ïîÿâëÿþòñÿ øàðèêè, îáëàäàþùèå âûñîêîîðèåíòèðîâàííîé ñòðóêòóðîé (ìåçîôàçà), ñâîéñòâà êîòîðûõ íàïîìèíàþò ñâîéñòâà æèäêèõ êðèñòàëëîâ. Ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì íàãðåâàíèè ýòè øàðèêè ñëèâàþòñÿ è çàòâåðäåâàþò â âèäå áîëüøèõ îáëàñòåé ñ óïîðÿäî÷åííîé ñëîèñòîé ñòðóêòóðîé. Ïðè íàãðåâàíèè äî 2500 ◦ C è âûøå ïðîèñõîäèò êàðáîíèçàöèÿ ïåêà. Âîëîêíà, ïîëó÷åííûå èç ðàñïëàâîâ ïåêîâ, îáû÷íî èìåþò èçîòðîïíûå èëè áëèçêèå ê èçîòðîïíûì ñâîéñòâà è ñðàâíèòåëüíî íåâûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè. Çà ñ÷åò ñïåöèàëüíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà Ó èç ïåêîâ ìîãóò áûòü ïîâûøåíû äî óðîâíÿ ÏÀÍ-âîëîêîí.
Ïåêè
2.5.2
Ñûðüå äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÓÂ
Îäíèì èç íàèáîëåå ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ Ó ÿâëÿåòñÿ ïèðîëèç îðãàíè÷åñêèõ âîëîêîí. Ðàñïðîñòðàíåíèå èìåííî ýòîãî ìåòîäà ïîëó÷åíèÿ Ó ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàëàæåíî ìàññîâîå ïðîèçâîäñòâî îðãàíè÷åñêèõ âîëîêîí ðàçëè÷íûõ âèäîâ. ÓÂ, ïîëó÷åííîå ïèðîëèçîì, èìååò äîñòàòî÷íî âûñîêóþ ãèáêîñòü è äëèíó; õàðàêòåðèñòèêè èñõîäíûõ (îðãàíè÷åñêèõ)
- 60 âîëîêîí îáëàäàþò âûñîêîé âîñïðîèçâîäèìîñòüþ è ìîãóò âàðüèðîâàòüñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ. Îáùèå òðåáîâàíèÿ êî âñåì âèäàì âîëîêîí, êîòîðûå ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå ÓÂ: ñîõðàíåíèå öåëîñòíîñòè íà âñåõ ñòàäèÿõ ïðîèçâîäñòâà; íå ñëèøêîì âûñîêîå ñîäåðæàíèå ëåòó÷èõ ýëåìåíòîâ (ñîõðàíåíèå ìàññû âîëîêíà â ïðîöåññå ïåðåðàáîòêè â ÓÂ); ñêëîííîñòü àòîìîâ óãëåðîäà ê îáðàçîâàíèþ ãðàôèòîâûõ ïëîñêîñòåé; ìàêñèìàëüíî íèçêàÿ öåíà. Êàê îòìå÷àëîñü ðàíåå, íàèáîëåå ïðèãîäíûìè äëÿ ïåðåðàáîòêè â Ó ÿâëÿþòñÿ ïîëèàêðèëîíèòðèëüíûå (ÏÀÍ) è âèñêîçíûå (ÃÒÖ) âîëîêíà. Ó èç ÏÀÍ-âîëîêîí
Ïðîöåññ ïåðåðàáîòêè ÏÀÍ-âîëîêíà â ÓÂ-âîëîêíî âêëþ÷àåò ñëåäóþùèå ñòàäèè: ôîðìîâàíèå èñõîäíîãî ÏÀÍ-âîëîêíà; ïðåäâàðèòåëüíàÿ âûòÿæêà; ñòàáèëèçàöèÿ ïðè 220 ◦ C íà âîçäóõå ïîä íàòÿæåíèåì (ñòàáèëèçàöèÿ ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ïîâûøåíèÿ óñòîé÷èâîñòè ïîëèìåðîâ ê âîçäåéñòâèþ ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ â óñëîâèÿõ õðàíåíèÿ, ïåðåðàáîòêè, ýêñïëóàòàöèè; ïðèìåíèòåëüíî ê ïðîèçâîäñòâó óãëåðîäíûõ âîëîêîí ñòàáèëèçàöèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â âûïîëíåíèè òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ, ñïîñîáñòâóþùèõ ìàêñèìàëüíîé ãðàôèòèçàöèè èñõîäíîãî ìàòåðèàëà); êàðáîíèçàöèÿ ïðè 1500 ◦ C â àòìîñôåðå èíåðòíîãî ãàçà; ãðàôèòèçàöèÿ ïðè 3000 ◦ C â àòìîñôåðå èíåðòíîãî ãàçà. Ïîëèàêðèëîíèòðèë (ÏÀÍ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ëèíåéíûé ïîëèìåð. Ñòðóêòóðà ìàêðîìîëåêóëû ÏÀÍ ïîêàçàíà íà ðèñ. 2.2. Íàëè÷èå íèòðèëüíûõ ãðóïï îáåñïå÷èâàåò îòíîñèòåëüíî ñèëüíîå ìåæìîëåêóëÿðíîå âçàèìîäåéñòâèå, ÷òî âûðàæàåòñÿ â äîñòàòî÷íî âûñîêîé òåìïåðàòóðå ñòåêëîâàíèÿ ÏÀÍ (îêîëî 120 ◦ C) è çàòðóäíÿåò ôîðìîâàíèå âîëîêîí ïðè áîëåå íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ. Äëÿ ïîíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ñòåêëîâàíèÿ ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ñîïîëèìåðû ÏÀÍ ñ äðóãèìè ìîíîìåðàìè (äî 10 % ìåòèëàêðèëàòà èëè âèíèëàöåòàòà). Ïîíèæåíèå òåìïåðàòóðû ñòåêëîâàíèÿ ïîçâîëÿåò âåñòè âûòÿæêó âîëîêîí â êèïÿùåé âîäå. Ôîðìîâàíèå ÏÀÍ-âîëîêîí âåäåòñÿ â îñíîâíîì ïî ¾ìîêðîìó ñïîñîáó¿ ïóòåì ðàñòâîðåíèÿ ïîëèìåðà è ïðîïóñêàíèÿ ðàñòâîðà ñêâîçü ôèëüåðû â ñïåöèàëüíóþ âàííó, ãäå èç ðàñòâîðà îáðàçóþòñÿ âîëîêíà. Íàëè÷èå íèòðèëüíûõ ãðóïï ïðèâîäèò ê íèçêîé ðàñòâîðèìîñòè ÏÀÍ, ïîýòîìó äëÿ åãî ðàñòâîðåíèÿ èñïîëüçóþò ïîëÿðíûå ðàñòâîðèòåëè. Ïîëó÷åííîå âîëîêíî ïðîõîäèò ñòàäèè ïðîìûâêè, âûòÿæêè è ñóøêè. Âûòÿæêà íåîáõîäèìà äëÿ ïîâûøåíèÿ ñòåïåíè îðèåíòàöèè ìàêðîìîëåêóë â âîëîêíå, ÷òî ñïîñîáñòâóåò â äàëüíåéøåì îáðàçîâàíèþ ãðàôèòîâûõ ïëîñêîñòåé â ÓÂ. Ñõåìà âûòÿæêè ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2.3
- 61 -
CH2
CH2
CH2
CH
CH
C
C N
N
Ðèñ. 2.2. Ñòðóêòóðà ìàêðîìîëåêóëû ïîëèàêðèëîíèòðèëà (ÏÀÍ)
Ðèñ. 2.3. Âëèÿíèå âûòÿæêè íà ôèáðèëëÿðíóþ ñòðóêòóðó ÏÀÍ-âîëîêíà: 1 èñõîäíàÿ ñòðóêòóðà; 2 âûòÿíóòîå âîëîêíî
ÏÀÍ âîëîêíî ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî è ñóõèì ñïîñîáîì (ìåòîäîì ñóõîãî ôîðìîâàíèÿ). Ïðè ýòîì ñïîñîáå ðàñòâîð ïîëèàêðèëîíèòðèëà ïîäàåòñÿ â âåðòèêàëüíóþ øàõòó, â êîòîðîé âñòðå÷íûé ïîòîê ãîðÿ÷åãî âîçäóõà óíîñèò îñíîâíóþ ìàññó ðàñòâîðèòåëÿ. Ìîíîâîëîêíà ãðóïïèðóþòñÿ â âîëîêíî ñ àáñîëþòíî íåóïîðÿäî÷åííîé ñòðóêòóðîé. Ñîçäàííîå âîëîêíî, â êîòîðîì ìàêðîìîëåêóëû èìåþò ïðåèìóùåñòâåííóþ îðèåíòàöèþ âäîëü åãî îñè, ïîäâåðãàåòñÿ ñòàáèëèçàöèè äëÿ òîãî, ÷òîáû îðèåíòàöèè ñîõðàíèëàñü è ïîñëå òåðìîîáðàáîòêè (êàðáîíèçàöèè). Ñòàáèëèçàöèÿ ñâîäèòñÿ ê óìåíüøåíèþ ãèáêîñòè ìàêðîìîëåêóë èëè èõ ñêðåïëåíèþ äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæíîñòè ðàçîðèåíòàöèè. Îäèí èç îñíîâíûõ ïðèåìîâ ñòàáèëèçàöèè ÏÀÍ-âîëîêíà öèêëèçàöèÿ ìàêðîìîëåêóë. Ñõåìà ñòðóêòóðû ìàêðîìîëåêóëû, ïîäâåðãíóòîé öèêëèçàöèè, ïîêàçàíà íà ðèñ. 2.4.  íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ ñòàáèëèçàöèè ÏÀÍ-âîëîêîí ïðèìåíÿåòñÿ îêèñëåíèå ïîëèàêðèëîíèòðèëà ñ ïîñëåäóþùåé öèêëèçàöèåé. Îêèñëåíèå ïðåäïîëàãàåò âêëþ÷åíèå àòîìîâ êèñëîðîäà â ñîñòàâ ïîâòîðÿþùèõñÿ áëîêîâ ìàêðîìîëåêóëû, à öèêëèçàöèÿ îáðàçîâàíèå çàìêíóòûõ öåïî÷åê àòîìîâ, èñêëþ÷åíèå íåñâÿçàííûõ (¾âèñÿ÷èõ¿) àòîìíûõ ãðóïï. Ñòðîãîé òåîðèè ïðîòåêàíèÿ ýòèõ ïðîöåññîâ íà ñåãîäíÿ åùå íå ðàçðàáîòàíî, èìåþòñÿ òîëüêî ïðåäïîëîæåíèÿ î âîçìîæíîé ñòðóêòóðå ìàêðîìîëåêóëû, ïîäâåðãíóòîé ýòèì ïðîöåäóðàì. Ýêñïåðèìåíòàëü-
- 62 íûå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðè îïðåäåëåííûõ ïàðàìåòðàõ ýòè ïðîöåññû ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü Ó ñ áîëåå âûñîêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè.
CH2
N
CH2
CH2
CH
CH
CH
C
C
C
N
N
Ðèñ. 2.4. Ñòðóêòóðà ÏÀÍ, ïîäâåðãíóòîãî öèêëèçàöèè Ñëåäóþùèì øàãîì ÿâëÿåòñÿ êàðáîíèçàöèÿ ÏÀÍ-âîëîêíà. Ïîä êàðáîíèçàöèåé ïîíèìàþò îáû÷íî ïðîöåññ ïèðîëèçà ñòàáèëèçèðîâàííîãî âîëîêíà, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò åãî ïðåâðàùåíèå â óãëåðîäíîå âîëîêíî. Èìåííî íà ýòîé ñòàäèè äîñòèãàþòñÿ íåîáõîäèìûå ñâîéñòâà ÓÂ. Êàðáîíèçàöèÿ ïðîâîäèòñÿ â àòìîñôåðå èíåðòíîãî ãàçà ïðè òåìïåðàòóðå 1000 . . . 1500 ◦ C. Ïðè ýòîé òåìïåðàòóðå èç âîëîêíà óäàëÿþòñÿ ïðàêòè÷åñêè âñå ýëåìåíòû êðîìå óãëåðîäà. Ïðè äîñòèæåíèè òåìïåðàòóðû 1000 ◦ C âîëîêíî ñîäåðæèò îêîëî 94 % óãëåðîäà è 6 % àçîòà. Ïðè 1300 ◦ C ñîäåðæàíèå àçîòà óìåíüøàåòñÿ äî 0,3%. Ïðè òåìïåðàòóðå 1600 ◦ C òåðÿåòñÿ äî 60 % ìàññû èñõîäíîãî ÏÀÍ-âîëîêíà. Îñòàâøèåñÿ 4045 % ñîñòàâëÿþò âûõîä óãëåðîäà. Òàêîå ñîîòíîøåíèå ìàññ èñõîäíîãî è êîíå÷íîãî ïðîäóêòîâ ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî âûñîêèì, ÷òî ïîâûøàåò ïðèâëåêàòåëüíîñòü ÏÀÍ-âîëîêîí äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ñûðüÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÓÂ. Ñëåäóþùèé ýòàï ãðàôèòèçàöèÿ. Ãðàôèòèçàöèÿ ïðîâîäèòñÿ ïðè òåìïåðàòóðàõ ñâûøå 1800 ◦ C è ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ïîâûøåíèÿ ñîäåðæàíèÿ óãëåðîäà â âîëîêíå è óâåëè÷åíèÿ åãî óïðóãèõ ñâîéñòâ. Ñàì òåðìèí ¾ãðàôèòèçàöèÿ¿ íå ñëèøêîì ñòðîã, ïîñêîëüêó ãðàôèòîâàÿ ñòðóêòóðà â âîëîêíå óæå èìååòñÿ. Ïîâûøåíèå óïðóãîñòè äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò óïîðÿäî÷åíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû è ñîçäàíèÿ ïðåèìóùåñòâåííîé îðèåíòàöèè êðèñòàëëîâ. Îáû÷íî ïîä ¾ãðàôèòîâûìè¿ ïîäðàçóìåâàþò âîëîêíà ñ ñîäåðæàíèåì óãëåðîäà îêîëî 99 %.  ðåçóëüòàòå ïåðåðàáîòêè ïëîòíîñòü âîëîêîí èçìåíÿåòñÿ îò 1200 êã/ì3 (ÏÀÍâîëîêíî) äî 1700 . . . 2100 êã/ì3 (ÓÂ). Ïëîòíîñòü èäåàëüíîãî ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ãðàôèòà ñîñòàâëÿåò 2260 êã/ì3 . Äèàìåòð èñõîäíûõ âîëîêîí óìåíüøàåòñÿ ïî÷òè â 2 ðàçà ñðåäíèé äèàìåòð óãëåðîäíûõ âîëîêîí ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 7 . . . 10 ìêì.
- 63 Äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíî âûñîêèõ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ íåîáõîäèìî, ÷òîáû áàçîâûå ïëîñêîñòè ãðàôèòà â Ó áûëè ïàðàëëåëüíû îñè âîëîêíà. Åñëè â ïëîñêîñòè áàçîâîãî ñëîÿ òåîðåòè÷åñêèé ìîäóëü óïðóãîñòè äîñòèãàåò 1000 ÃÏà, òî ïðè îòêëîíåíèè îò áàçîâîé ïëîñêîñòè íà 15◦ åãî âåëè÷èíà ñîñòàâëÿåò âñåãî 70 ÃÏà. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí íåîáõîäèìî îáåñïå÷èâàòü íàëè÷èå âûñîêîîðèåíòèðîâàííîé ñòðóêòóðû áàçîâûõ ïëîñêîñòåé îòíîñèòåëüíî îñè âîëîêíà. Ñîçäàíèå âûñîêîîðèåíòèðîâàííîé ñòðóêòóðû íà÷èíàåòñÿ åùå íà ýòàïå ôîðìîâàíèÿ ÏÀÍ-âîëîêíà (ïðîöåäóðà âûòÿæêè âîëîêîí). Íà ñòåïåíü îðèåíòèðîâàííîñòè ñòðóêòóðû âëèÿþò ïðàêòè÷åñêè âñå ïàðàìåòðû òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà: òåìïåðàòóðà è ñîñòàâ îñàäèòåëüíîé âàííû, ñòåïåíü âûòÿæêè âîëîêíà, òåìïåðàòóðà ñóøêè è äð. Ñôîðìèðîâàííàÿ ñòðóêòóðà ÏÀÍ-âîëîêíà íàñëåäóåòñÿ óãëåðîäíûì âîëîêíîì ïîëó÷åííîå â ðåçóëüòàòå ïèðîëèçà Ó ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñâîåãî ðîäà ¾ñêåëåò¿ èñõîäíîãî âîëîêíà. Ñòðîåíèå Ó íàïîìèíàåò ñòðóêòóðó äðåâåñíîãî ñòâîëà (ðèñ. 2.5): íàðóæíûå êîëüöåâûå ñëîè èìåþò áîëåå âûñîêóþ ñòåïåíü îðèåíòàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ âíóòðåííèìè (áîëåå ðûõëûìè, ðàçóïîðÿäî÷åííûìè).
Ðèñ. 2.5. Âíóòðåííåå ñòðîåíèå óãëåðîäíîãî âîëîêíà íà îñíîâå ÏÀÍ Ìîäóëü óïðóãîñòè Ó íà îñíîâå ÏÀÍ çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè â ïðîöåññå ïîëó÷åíèÿ âîëîêíà. Òèïè÷íûé âèä ýòîé çàâèñèìîñòè ïîêàçàí íà ðèñ. 2.6. Ïðåäåë ïðî÷íîñòè Ó òàêæå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè è èìååò ìàêñèìóì, ñîîòâåòñòâóþùèé òåìïåðàòóðå 1200 . . . 1400 ◦ C. Ïðî÷íîñòü Ó îïðåäåëÿåòñÿ íàëè÷èåì äåôåêòîâ, êîòîðûå ìîãóò áûòü ïîäåëåíû íà 4 ãðóïïû: íåîðãàíè÷åñêèå âêëþ÷åíèÿ, îðãàíè÷åñêèå âêëþ÷åíèÿ, îòäåëüíûå ïóñòîòû è öèëèíäðè÷åñêèå ïîðû, âîçíèêàþùèå ïðè èñïàðåíèè ðàñòâîðèòåëÿ. Âñå ýòè äåôåêòû ¾ïîðòÿò¿ ñòðóêòóðó ÓÂ, ñíèæàÿ â êîíå÷íîì ñ÷åòå åãî ïðî÷íîñòü. Íàèáîëåå ñóùåñòâåííûé âêëàä â ñíèæåíèå ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ âîëîêíà âíîñÿò òðåùèíû â áàçîâûõ ïëîñêîñòÿõ, êîòîðûå âîçíèêàþò ïðè îõëàæäåíèè âî-
- 64 -
E,
400
σb , M a
a
300
3000
200
2000
100
1000
T,oC
0 0
400
1200
2000
Ðèñ. 2.6. Çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ óïðóãîñòè ÓÂ íà îñíîâå ÏÀÍ ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè
T,oC
0 0
400
1200
2000
Ðèñ. 2.7. Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè Ó íà îñíîâå ÏÀÍ ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè
ëîêíà ïîñëå òåðìîîáðàáîòêè èç-çà àíèçîòðîïèè òåðìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ãðàôèòà. Òàêèå òðåùèíû â îñíîâíîì îáðàçóþòñÿ âäîëü îñè âîëîêíà è ìàëî âëèÿþò íà åãî ìîäóëü óïðóãîñòè, íî çàìåòíî ñíèæàþò ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà. Ïîÿâëåíèå òàêèõ òðåùèí îáû÷íî íàáëþäàåòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå òåðìîîáðàáîòêè îêîëî 1500◦ C. Íà ïðî÷íîñòü Ó ìîãóò âëèÿòü è ïîâåðõíîñòíûå äåôåêòû, óíàñëåäîâàííûå îò èñõîäíîãî ÏÀÍ-âîëîêíà. Õàðàêòåðíûé âèä çàâèñèìîñòè ïðåäåëà ïðî÷íîñòè óãëåðîäíîãî âîëîêíà îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè ïîêàçàí íà ðèñ. 2.7. Ýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà Ó îïðåäåëÿþòñÿ ñîäåðæàíèåì àçîòà. Ñàì ïî ñåáå àçîò â îïðåäåëåííîé ñòåïåíè ÿâëÿåòñÿ èíãèáèòîðîì ïðîöåññà êàðáîíèçàöèè. Ïîñëå óäàëåíèÿ àçîòà ñòåïåíü ãðàôèòèçàöèè âîçðàñòàåò è ðåçêî ìåíÿþòñÿ âñå ñâîéñòâà, ñâÿçàííûå ñ ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòüþ: ýëåêòðîñîïðîòèâëåíèå, ìàãíèòíûå ñâîéñòâ è äð. Åñëè äëÿ ÏÀÍ-âîëîêíà óäåëüíîå ýëåêòðîñîïðîòèâëåíèå ñîñòàâëÿåò 108 Îì · ì, òî ïîñëå òåðìîîáðàáîòêè ïðè 3000 ◦ C îíî óìåíüøàåòñÿ äî 0,1 Îì · ì. Åñëè òðåáóåòñÿ, ÷òîáû Ó èìåëî âûñîêîå ýëåêòðîñîïðîòèâëåíèå è õîðîøèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà, â åãî ñòðóêòóðå äîëæåí áûòü ÷àñòè÷íî ñîõðàíåí àçîò. Ýòî ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî ëèáî îãðàíè÷åíèåì òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè (íå âûøå ∼ 1750 ◦ C), ëèáî äðóãèìè ñïîñîáàìè, ïîçâîëÿþùèìè óäåðæàòü àçîò â ñòðóêòóðå ìàêðîìîëåêóë.
- 65 Óãëåðîäíûå âîëîêíà èç ïåêîâ
Òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ óãëåðîäíûõ âîëîêîí èç ïåêîâ âêëþ÷àåò â ñåáÿ íåñêîëüêî ýòàïîâ: ïðîãðåâ ïåêîâ ïðè òåìïåðàòóðå 400 . . . 450 ◦ C â ñðåäå èíåðòíîãî ãàçà â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè äëÿ ïîëó÷åíèÿ æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîãî (ìåçîôàçíîãî) ñîñòîÿíèÿ; ïîëó÷åíèå íèçêîìîäóëüíîãî âîëîêíà ìåòîäîì ïðÿäåíèÿ èç ðàñïëàâà; äëèòåëüíîå îòâåðæäåíèå ïðè ñðàâíèòåëüíî íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ; êàðáîíèçàöèÿ â àòìîñôåðå èíåðòíîãî ãàçà; ãðàôèòèçàöèÿ ïîä íàãðóçêîé ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå. Ïîëó÷åíèå âîëîêîí ñ âûñîêèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ïî ýòîé òåõíîëîãèè òðåáóåò äëèòåëüíîãî âðåìåíè îòâåðæäåíèÿ è èñïîëüçîâàíèÿ âûñîêèõ òåìïåðàòóð ïðè âûòÿæêå, ÷òî çíà÷èòåëüíî ïîâûøàåò ñòîèìîñòü ïðîèçâîäñòâà. Äîñòèæèìûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ÿâëÿþòñÿ ìîäóëü óïðóãîñòè ïîðÿäêà 480 ÃÏà è ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè îêîëî 2,5 ÃÏà. Íî îáû÷íî õàðàêòåðèñòèêè âîëîêîí, ïîëó÷åííûõ ïî äàííîé òåõíîëîãèè, çíà÷èòåëüíî íèæå (ìîäóëü óïðóãîñòè v 35 . . . 70 ÃÏà). Óäåøåâëåíèå òåõíîëîãèè (çà ñ÷åò ñíèæåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ âîëîêîí) äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò èñêëþ÷åíèÿ èëè ñîêðàùåíèÿ ïðîöåäóðû âûòÿæêè âîëîêíà ïðè åãî ãðàôèòèçàöèè. Òàêèå íèçêîìîäóëüíûå âîëîêíà â îñíîâíîì ïðèìåíÿþòñÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå áîðíûõ âîëîêîí â êà÷åñòâå îñíîâû äëÿ îñàæäåíèÿ áîðà. Ïåêè è ñõîäíûå ñ íèìè ìàòåðèàëû ÿâëÿþòñÿ ïðîäóêòàìè, îáðàçóþùèìèñÿ ïðè ïåðåãîíêå êàìåííîãî óãëÿ, ñûðîé íåôòè, íàòóðàëüíîãî àñôàëüòà è íåêîòîðûõ ñèíòåòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ïîä äåéñòâèåì âûñîêîé òåìïåðàòóðû èëè êàòàëèçàòîðîâ. Ïðîöåññ ïåðåðàáîòêè íåôòè (è ïîäîáíûõ åé ïðîäóêòîâ) çàêëþ÷àåòñÿ â îòäåëåíèè ëåòó÷èõ ôðàêöèé â ïðîöåññå ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû. Îñòàþùàÿñÿ ïîñëå âîçãîíêè ëåòó÷èõ ôðàêöèé ìàññà è íàçûâàåòñÿ ïåêîì. Äàëüíåéøàÿ ïåðåðàáîòêà ïåêîâ âîçìîæíà, íî ÿâëÿåòñÿ çàòðóäíèòåëüíîé, ïîñêîëüêó òåìïåðàòóðà äîñòèãàåò òàêîãî óðîâíÿ, êîãäà â ïåêå íà÷èíàþò îáðàçîâûâàòüñÿ òâåðäûå óãëåðîäíûå ÷àñòèöû (êîêñû). Ýòè ÷àñòèöû îñàæäàþòñÿ íà êàòàëèçàòîðàõ è çàñîðÿþò èõ, ñíèæàÿ ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ïåðåðàáàòûâàþùåãî ïðîèçâîäñòâà. Ïîýòîìó, íà÷èíàÿ ñ íåêîòîðîãî óðîâíÿ òåìïåðàòóðû, äàëüíåéøàÿ ïåðåðàáîòêà ïåêîâ ñòàíîâèòñÿ íåâûãîäíîé.  ñîñòàâå ïåêîâ âûäåëÿþòñÿ íåñêîëüêî îñíîâíûõ ôðàêöèé ñ ðàçíîé ìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðîé (è ìàññîé). Ôðàêöèè ñ íàèìåíüøåé ìîëåêóëÿðíîé ìàññîé ñõîæè ñ âîñêîì. Ôðàêöèè ñ íàèáîëüøåé ìîëåêóëÿðíîé ìàññîé îòíîñÿòñÿ ê ãðóïïå àñôàëüòîâ. Ýòà ôðàêöèÿ îòëè÷àåòñÿ íàèáîëüøåé òåðìîñòàáèëüíîñòüþ è èìåííî äëÿ ýòîé ôðàêöèè õàðàêòåðíûì ÿâëÿåòñÿ îáðàçîâàíèå æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû ïðè íàãðåâàíèè, ÷òî ñïîñîáñòâóåò â äàëüíåéøåì (ïî íåêî-
- 66 òîðûì îöåíêàì) ôîðìèðîâàíèþ ñòðóêòóðû ãðàôèòà â óãëåðîäíûõ âîëîêíàõ. Óäåëüíîå ñîäåðæàíèå ôðàêöèé â ïåêàõ ðàçëè÷íûõ ïðîèçâîäèòåëåé ðàçëè÷íî. Ïîâûøåííîå ñîäåðæàíèå àñôàëüòîâ ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû ðàçìÿã÷åíèÿ ïåêîâ è ïîâûøåíèåì âûõîäà óãëåðîäà ïðè ïèðîëèçå. Êîëè÷åñòâî óãëåðîäà íà âûõîäå çàâèñèò òàêæå îò ñòðóêòóðû èñõîäíîãî ïåêà. Äëÿ ïðèìåðà ïåêè ñ ñîäåðæàíèåì àñôàëüòîâ 80 % ðàçìÿã÷àþòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 177 ◦ C, ïðè ýòîì âûõîä óãëåðîäà ìîæåò äîñòèãàòü 60 %. Ýôôåêòèâíîñòü òåõíîëîãèè (âûõîä óãëåðîäà) ìîæåò áûòü ïîâûøåíà çà ñ÷åò ïåðåâîäà ïåêà â æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå ïóòåì òåðìîîáðàáîòêè. Òàêîé ðàñïëàâ (ìåçîôàçíûé) ÿâëÿåòñÿ óïîðÿäî÷åííûì è òåðìîäèíàìè÷åñêè ñòàáèëüíûì. Óïîðÿäî÷åííîñòü ðàñïëàâà íàñëåäóþò âîëîêíà, êîòîðûå ìîãóò áûòü èç íåãî ïîëó÷åíû. Òàêèå âîëîêíà ëåã÷å ïîääàþòñÿ ïåðåðàáîòêå â óãëåðîäíûå, ïîñêîëüêó èìåþò çàðàíåå ñôîðìèðîâàííóþ ñòðóêòóðó, áëèçêóþ ê ñòðóêòóðå ãðàôèòà. Âîëîêíà ïîëó÷àþòñÿ èç ðàñïëàâà, ñîäåðæàùåãî 50 . . . 90% ìåçîôàçû. Ðàñïëàâ ïîìåùàåòñÿ â ýêñòðóäåð, à çàòåì ïðîäàâëèâàåòñÿ ñêâîçü ôèëüåðû â àòìîñôåðó èíåðòíîãî ãàçà. Âåñü ïðîöåññ èäåò ïðè ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðå, îáåñïå÷èâàþùèé æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå ïåêà. Ñêîðîñòü ôîðìîâàíèÿ âîëîêíà ñîñòàâëÿåò îêîëî 100 ì/ìèí, êîíå÷íûé äèàìåòð âîëîêíà 10 . . . 15 ìêì, ñòåïåíü ôèëüåðíîé âûòÿæêè v 1000 : 1. Ñõåìàòè÷åñêè ïðîöåññ ïîëó÷åíèÿ âîëîêîí èç ïåêîâ ïîêàçàí íà ðèñ. 2.8.
Ðèñ. 2.8. Ñõåìà ïîëó÷åíèÿ âîëîêíà èç æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïåêîâ Âûòÿæêà âîëîêíà îáåñïå÷èâàåò íåîáõîäèìûé êîíå÷íûé äèàìåòð, à òàêæå ñïîñîáñòâóåò äàëüíåéøåìó óïîðÿäî÷åíèþ ìàêðîìîëåêóëÿðíîé ñòðóêòóðû âîëîêíà. Ñòðóêòóðà èìååò áîëåå óïîðÿäî÷åííûé õàðàêòåð âáëèçè âíåøíèõ ãðàíèö âîëîêíà è ìåíåå óïîðÿäî÷åííûé â öåíòðàëüíîé ÷àñòè. Òàêîé õàðàêòåð ñòðóê-
- 67 òóðû îáúÿñíÿåòñÿ òðåíèåì âíåøíèõ ñëîåâ âîëîêíà î ñòåíêè ôèëüåðû è äåéñòâèåì â ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ ñäâèãîâûõ íàïðÿæåíèé, êîòîðûå ñïîñîáñòâóåò îðèåíòèðîâàíèþ ìàêðîìîëåêóë íà ïîâåðõíîñòè âäîëü îñè âîëîêíà. Âûäåëÿþò òðè òèïà óïîðÿäî÷åíèÿ ñòðóêòóðû ïåêîâûõ âîëîêîí â çàâèñèìîñòè îò ñîîòíîøåíèÿ ñäâèãîâûõ è ïðîäîëüíûõ íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ ïðè ôîðìîâàíèè âîëîêíà: ðàäèàëüíîå, ëóêîâè÷íîå è ðàäèàëüíî-èçîòðîïíîå (ñì. ðèñ. 2.9).  íàñòîÿùåå âðåìÿ áîëüøèíñòâî âûïóñêàåìûõ âîëîêîí èìåþò ðàäèàëüíóþ è ðàäèàëüíî-èçîòðîïíóþ ñòðóêòóðó. Ëóêîâè÷íàÿ ñòðóêòóðà õàðàêòåðíà â îñíîâíîì äëÿ ìîíîôèëàìåíòíûõ âîëîêîí. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ èìååò ìåñòî îðèåíòàöèÿ ãðàôèòîâûõ ïëîñêîñòåé âäîëü îñè âîëîêíà.
1)
2)
3)
Ðèñ. 2.9. Ñòðóêòóðû âîëîêîí, ïîëó÷åííûõ èç ïåêîâ: 1) ðàäèàëüíàÿ; 2) ëóêîâè÷íàÿ; 3) ðàäèàëüíî-èçîòðîïíàÿ Ïåêè òåðìîïëàñòè÷íû, ïîýòîìó ïåðåä êàðáîíèçàöèåé íåîáõîäèìî ïîâûñèòü óñòîé÷èâîñòü âîëîêíà ê âîçäåéñòâèþ âûñîêîé òåìïåðàòóðû (ñäåëàòü åãî òåðìîñòàáèëüíûì). Äëÿ ýòîãî ïðîâîäèòñÿ ïðåäâàðèòåëüíàÿ òåðìîîáðàáîòêà ñ öåëüþ ñøèâêè ïåêîâ. Ïðîöåññ ñøèâêè ïðîõîäèò ïðè òåìïåðàòóðå v 300 ◦ C â êèñëîðîäîñîäåðæàùåé ñðåäå. Ýòà ïðîöåäóðà ïîçâîëÿåò èçáåæàòü ïðîöåññîâ ðåëàêñàöèè â âîëîêíå ïðè êàðáîíèçàöèè, êîòîðûå ìîãóò ñóùåñòâåííî ñíèæàòü ñòåïåíü îðèåíòèðîâàííîñòè ìàêðîìîëåêóë âîëîêíà. Ïîñëå ñøèâêè (îòâåðæäåíèÿ) ïðîâîäèòñÿ ñëåäóþùèé ýòàï òåðìîîáðàáîòêè, êîòîðûé ïðèâîäèò ê êàðáîíèçàöèè è ãðàôèòèçàöèè ïåêîâîãî âîëîêíà. Òåìïåðàòóðà íà ýòîì ýòàïå ïîâûøàåòñÿ äî v 3000 ◦ C.  ïðîöåññå òåðìîîáðàáîòêè ïåê êîêñóåòñÿ, çàòåì ïðåîáðàçóåòñÿ â óãëåðîäíûé è îêîí÷àòåëüíî â ãðàôèòîâûé ìàòåðèàë. Äîïîëíèòåëüíî ââîäèòñÿ ïðîìåæóòî÷íûé ýòàï ïðåäêàðáîíèçàöèè, ïðè êîòîðîì âîëîêíî âûäåðæèâàåòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 1000 ◦ C. Íà ýòîì ïðîìåæóòî÷íîì ýòàïå èç âîëîêíà óäàëÿþòñÿ (èñïàðÿþòñÿ) ëåòó÷èå ïðîäóêòû, îáðàçîâàâøèåñÿ ïðè ñøèâêå. Ñëèøêîì áûñòðîå íàãðåâàíèå âîëîêíà íà ýòàïå ïðåäêàðáîíèçàöèè ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ñòðóêòóðíûõ äåôåêòîâ â âèäå ïóçûðåé è òðåùèí, êîòîðûå ñíèæàþò ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà âîëîêíà.
- 68 -
E,
800
σb , M a
a
600
2000
400
1000
200
T,oC
0 0
1000
2000
3000
Ðèñ. 2.10. Çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ óïðóãî-
ñòè ÓÂ èç ïåêà ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè
T,oC
0 0
1000
2000
3000
Ðèñ. 2.11. Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè Ó èç ïåêà ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè
Îêîí÷àòåëüíîå ôîðìèðîâàíèå ñâîéñòâ ïåêîâûõ óãëåðîäíûõ âîëîêîí ïðîèñõîäèò óæå íà ýòàïå êàðáîíèçàöèè è ãðàôèòèçàöèè. Äëÿ ïåêîâûõ âîëîêîí ñ ðàäèàëüíîé ñòðóêòóðîé (ðèñ. 2.9) õàðàêòåðíî íàëè÷èå ïðîäîëüíûõ òðåùèí, êîòîðûå ïðè êàðáîíèçàöèè ðàñêðûâàþòñÿ. Íàëè÷èå òàêèõ òðåùèí, à òàêæå çíà÷èòåëüíàÿ ìèêðî- è ìàêðîïîðèñòîñòü ïåêîâûõ âîëîêîí îáóñëàâëèâàþò èõ ñðàâíèòåëüíî íåâûñîêóþ ïðî÷íîñòü. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîâûøåíèåì ñòåïåíè îðèåíòèðîâàííîñòè ãðàôèòîâîé ñòðóêòóðû âîëîêíà, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ óïðóãèõ è ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ âîëîêîí. Õàðàêòåðíûé âèä çàâèñèìîñòè ïðåäåëà ïðî÷íîñòè è ìîäóëÿ óïðóãîñòè ïåêîâûõ óãëåðîäíûõ âîëîêîí îò òåìïåðàòóðû êàðáîíèçàöèè ïîêàçàí íà ðèñóíêàõ 2.10 è 2.11. Íåâûñîêèé ïðåäåë ïðî÷íîñòè â ñî÷åòàíèè ñ âûñîêèì ìîäóëåì óïðóãîñòè îáóñëàâëèâàþò ìàëîñòü äåôîðìàöèé, ïðè êîòîðûõ ïðîèñõîäèò ðàçðóøåíèå âîëîêîí. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî çàòðóäíÿåò èñïîëüçîâàíèå óãëåðîäíûõ âîëîêîí èç ïåêîâ ïðè èçãîòîâëåíèè êîìïîçèòîâ. Óãëåðîäíûå âîëîêíà, ïîëó÷åííûå èç ïåêîâ, îòëè÷àþòñÿ î÷åíü âûñîêîé ýëåêòðîïðîâîäíîñòüþ.
- 69 Óãëåðîäíûå âîëîêíà èç ãèäðàòöåëëþëîçíûõ (ÃÒÖ) âîëîêîí
Ïðîöåññ ïðåâðàùåíèÿ ÃÒÖ-âîëîêîí â óãëåðîäíûå èìååò ÷åòûðå îñíîâíûå ñòàäèè: ôîðìîâàíèå; ñòàáèëèçàöèÿ; êàðáîíèçàöèÿ; ãðàôèòèçàöèîííîå âûòÿãèâàíèå. Âîëîêíà íà îñíîâå ãèäðàòà öåëëþëîçû ïîëó÷àþòñÿ ìåòîäîì ìîêðîãî ôîðìîâàíèÿ èç äðåâåñíîé öåëëþëîçû. Ýòè âîëîêíà ïðèìåíÿþòñÿ î÷åíü øèðîêî êàê â òåêñòèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè, òàê è â ìàøèíîñòðîåíèè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ óãëåðîäíûõ âîëîêîí ïðèìåíÿþòñÿ âèñêîçíûå è ïîëèèíîçíûå âîëîêíà, êîòîðûå îòëè÷àþòñÿ áîëåå âûñîêîé ñòåïåíüþ ïîëèìåðèçàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè ÃÒÖ-âîëîêíàìè. ÃÒÖ-âîëîêíà ñîäåðæàò çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî âîäîðîäà è êèñëîðîäà, ïîýòîìó âûõîä óãëåðîäà ïîñëå êàðáîíèçàöèè òåîðåòè÷åñêè íå ìîæåò ïðåâûøàòü 55 %.  ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ îí åùå íèæå è ñîñòàâëÿåò îò 10 % äî 30 %. Íèçêèé âûõîä óãëåðîäà îäèí èç îñíîâíûõ ôàêòîðîâ, îãðàíè÷èâàþùèõ ïðèìåíåíèå ÃÒÖ-âîëîêîí â êà÷åñòâå ñûðüÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÓÂ. Èññëåäîâàíèÿ, íàïðàâëåííûå íà ïîèñê ìåòîäîâ ïîâûøåíèÿ âûõîäà óãëåðîäà çà ñ÷åò ïðåäâàðèòåëüíîé îáðàáîòêè ÃÒÖ-âîëîêîí, ïîêàçûâàþò, ÷òî òàêîé ýôôåêò ìîæåò áûòü äîñòèãíóò. Ïðèåìû ïðåäâàðèòåëüíîé îáðàáîòêè äîñòàòî÷íî ðàçíîîáðàçíû, íàïðèìåð, ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ òåðìîîáðàáîòêà â ïîòîêå ïàðîâ êèñëîò; íèçêîòåìïåðàòóðíàÿ îáðàáîòêà â ïîòîêå êèñëîðîäà, õëîðà è äð.; ïðîïèòêà ÃÒÖ çàìåäëèòåëÿìè ãîðåíèÿ è ò. ä. Âûõîä óãëåðîäà ïîñëå òàêîé îáðàáîòêè ìîæåò ïîâûøàòüñÿ äî 40 %. Ñòàáèëèçàöèÿ ñôîðìèðîâàííîãî ÃÒÖ-âîëîêíà ïðîâîäèòñÿ ïóòåì íèçêîòåìïåðàòóðíîé (ïðè 400 ◦ C) òåðìîîáðàáîòêè â ãàçîâîé ñðåäå.  êà÷åñòâå ãàçîâîé ñðåäû ìîæåò âûñòóïàòü îáû÷íûé âîçäóõ èëè èíåðòíûå ãàçû. Âî âðåìÿ ñòàáèëèçàöèè âîëîêíà ïðîòåêàåò áîëüøîå ÷èñëî õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, â õîäå êîòîðûõ â îñíîâíîì îòäåëÿþòñÿ àòîìû âîäîðîäà è êèñëîðîäà, à çàòåì ïðîõîäèò öèêëèçàöèÿ è îáðàçîâàíèå ãðàôèòîïîäîáíûõ ñòðóêòóð ñ âûäåëåíèåì ëåòó÷èõ âåùåñòâ.  îòëè÷èå îò ÏÀÍ-âîëîêîí, âûòÿãèâàíèå ÃÒÖ-âîëîêîí íà ýòàïå ñòàáèëèçàöèè íå ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ñòåïåíè îðèåíòèðîâàííîñòè ìàêðîìîëåêóë âäîëü îñè âîëîêíà. Âðåìÿ ñòàáèëèçàöèè ñîñòàâëÿåò îò 20 ìèíóò äî 10 ÷àñîâ. Äîïîëíèòåëüíî ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ êðàòêîâðåìåííàÿ õèìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà äëÿ ïîâûøåíèÿ âûõîäà óãëåðîäà. Ñëåäóþùàÿ ñòàäèÿ ïîëó÷åíèÿ Ó êàðáîíèçàöèÿ. Ýòîò ïðîöåññ îáû÷íî èäåò ïðè òåìïåðàòóðå 1000 . . . 1500 ◦ C â àòìîñôåðå èíåðòíîãî ãàçà. Ïðè êàðáîíèçàöèè âîëîêíà ïîäâåðãàþòñÿ äîïîëíèòåëüíîìó ðàñòÿãèâàíèþ. Íà äàííîì ýòàïå íàòÿæåíèå âîëîêîí ñïîñîáñòâóåò ïîâûøåíèþ ñòåïåíè îðèåíòèðîâàííîñòè
- 70 ìàêðîìîëåêóë â âîëîêíå è, â êîíå÷íîì ñ÷åòå, ïîâûøåíèþ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ óãëåðîäíîãî âîëîêíà. Ïîñëåäíèé ýòàï, ãðàôèòèçàöèÿ, âûïîëíÿåòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå âûøå 2800 ◦ C. Âîëîêíà âûäåðæèâàþòñÿ ïðè òàêîé òåìïåðàòóðå â òå÷åíèå î÷åíü êîðîòêîãî âðåìåíè è ïîäâåðãàþòñÿ äîïîëíèòåëüíîé âûòÿæêå, êîòîðàÿ ìîæåò äîñòèãàòü 100 %. Òàêàÿ îïåðàöèÿ (âûòÿæêà ïðè òåìïåðàòóðå ãðàôèòèçàöèè) ïîçâîëÿåò ïîâûñèòü ìîäóëü óïðóãîñòè âîëîêíà ïðèìåðíî â 10 ðàç: îò v 70 ÃÏà äî v 700 ÃÏà.  òî æå âðåìÿ ýòà ïðîöåäóðà îêàçûâàåòñÿ âåñüìà äîðîãîé, ÷òî ñîïðîâîæäàåòñÿ îòíîñèòåëüíî âûñîêîé ñòîèìîñòüþ Ó èç ÃÒÖ-âîëîêîí. Ñòðóêòóðà âîëîêîí õàðàêòåðèçóåòñÿ äîâîëüíî âûñîêîé ïîðèñòîñòüþ, óíà◦
ñëåäîâàííîé îò èñõîäíîãî ÃÒÖ-âîëîêíà. Äèàìåòð ïîð ñîñòàâëÿåò îêîëî 100 A.  öåëîì ñòðóêòóðà óãëåðîäíûõ âîëîêîí íà îñíîâå ÃÒÖ ìîæåò áûòü îõàðàêòåðèçîâàíà êàê ¾ãðàôèòîâàÿ ëåíòî÷íàÿ¿, ýòà ñòðóêòóðà î÷åíü ïîõîæà íà ñòðóêòóðó Ó íà îñíîâå ÏÀÍ. Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà Ó íà îñíîâå ÃÒÖ çàâèñÿò îò áîëüøîãî ÷èñëà òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ. Íàèáîëåå âàæíûìè ñðåäè íèõ ÿâëÿþòñÿ êîíå÷íàÿ òåìïåðàòóðà òåðìîîáðàáîòêè, âðåìÿ òåðìîîáðàáîòêè, ñðåäíåå íàïðÿæåíèå â âîëîêíå â ïðîöåññå êàðáîíèçàöèè è, îñîáåííî, ñðåäíåå íàïðÿæåíèå â âîëîêíå â ïðîöåññå ãðàôèòèçàöèè. Ìîäóëü óïðóãîñòè óãëåðîäíûõ âîëîêîí íà îñíîâå ÃÒÖ ìîæåò äîñòèãàòü 700 ÃÏà, ïðè÷åì êàê ìîäóëü óïðóãîñòè, òàê è ïðåäåë ïðî÷íîñòè ðàñòóò ñ óâåëè÷åíèåì ñòåïåíè âûòÿæêè âîëîêîí. Õàðàêòåðíûé âèä çàâèñèìîñòè ïîêàçàí íà ðèñ. 2.12. Ïðåäåëüíàÿ äåôîðìàöèÿ âûñîêîìîäóëüíîãî âîëîêíà ñîñòàâëÿåò îêîëî 0,5 %, íèçêîìîäóëüíîãî îêîëî 1 %. Ñðàâíèòåëüíàÿ îöåíêà ýôôåêòèâíîñòè ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ ÓÂ
Ó èç ÏÀÍ îòëè÷àþòñÿ âûñîêèìè ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è âûñîêîé ñòîèìîñòüþ. Ó èç ïåêîâ çíà÷èòåëüíî äåøåâëå ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè òèïàìè ÓÂ-âîëîêîí (íàïðèìåð, èõ ñòîèìîñòü â 1,5 ðàçà íèæå, ÷åì ñòîèìîñòü âîëîêîí íà îñíîâå ÏÀÍ ïðè ñðàâíèìûõ õàðàêòåðèñòèêàõ). Ïî ñâîèì ìåõàíè÷åñêèì ñâîéñòâàì âîëîêíà èç ïåêîâ ïðèáëèæàþòñÿ ê íèçêîìîäóëüíûìè âîëîêíàì íà îñíîâå ÏÀÍ è èìåþò ðåçåðâû äëÿ ïîâûøåíèÿ ñâîèõ õàðàêòåðèñòèê, ÷òî äåëàåò èõ âåñüìà ïåðñïåêòèâíûìè äëÿ ïðèìåíåíèÿ â êà÷åñòâå àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ. Ó íà îñíîâå ÃÒÖ èìåþò íàèáîëåå âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà, íî ïðè ýòîì îíè íàèáîëåå äîðîãèå (â 2 ðàçà äîðîæå âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí íà îñíîâå ÏÀÍ), ïðè÷åì îñíîâíàÿ äîëÿ ñòîèìîñòè ñâÿçàíà ñ ïðîöåññîì âûñîêîòåìïåðàòóðíîé âûòÿæêè, áåç êîòîðîãî ïîëó÷åíèå âûñîêèõ ñâîéñòâ òàêèõ âîëîêîí íåâîçìîæíî. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî îãðàíè÷èâàåò ïðèìåíåíèå Ó íà îñíîâå ÃÒÖ âîëîêîí.
- 71 -
σb , M a 3000
2000
1000
E,
0 0
200
400
600
a
800
Ðèñ. 2.12. Ñîîòíîøåíèå ìåæäó ïðåäåëîì ïðî÷íîñòè è ìîäóëåì óïðóãîñòè Ó íà îñíîâå ÃÒÖ ïðè ðàñòÿæåíèè
2.5.3
Ïåðåðàáîòêà óãëåðîäíûõ âîëîêîí
Óãëåðîäíûå âîëîêíà ìîãóò âûïóñêàòüñÿ â ðàçíîîáðàçíîì âèäå: øòàïåëèðîâàííûå (ðåçàíûå, êîðîòêèå) íèòè, íåïðåðûâíûå íèòè, òêàíûå è íåòêàíûå ìàòåðèàëû. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé âèä ïðîäóêöèè æãóòû, ïðÿæà, ðîâèíãè, íåòêàíûå õîëñòû. Èçãîòîâëåíèå âñåõ âèäîâ òåêñòèëüíîé ïðîäóêöèè ïðîèçâîäèòñÿ ïî îáû÷íûì òåõíîëîãèÿì, òàê æå êàê äëÿ äðóãèõ âèäîâ âîëîêîí. Âèä òåêñòèëüíîé ïðîäóêöèè îïðåäåëÿåòñÿ ïðåäïîëàãàåìûì ñïîñîáîì èñïîëüçîâàíèÿ Ó â êîìïîçèöèîííîì ìàòåðèàëå, òî÷íî òàê æå, êàê è ñàì ìåòîä ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòà. Îñíîâíûå ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòîâ, àðìèðîâàííûõ óãëåðîäíûìè âîëîêíàìè, ÿâëÿþòñÿ îáû÷íûìè äëÿ âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ: âûêëàäêà, ëèòüå ïîä äàâëåíèåì, ïóëòðóçèÿ è äðóãèå. Óãëåðîäíûå âîëîêíà, òàê æå, êàê è äðóãèå âèäû âîëîêîí, ÷àñòî ïîäâåðãàþòñÿ äîïîëíèòåëüíîé îáðàáîòêå, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îáðàáîòêó ïîâåðõíîñòè âîëîêíà è íàíåñåíèå çàìàñëèâàòåëåé. Ýòà îïåðàöèÿ ïîçâîëÿåò ïîâûñèòü ñîâìåñòèìîñòü Ó ñî ñâÿçóþùèì è îáëåã÷àåò ïåðåðàáîòêó âîëîêîí.  êà÷åñòâå ïîêðûòèé ïðèìåíÿþòñÿ ïîëèâèíèëîâûé ñïèðò, ýïîêñèäíûå ñìîëû, ïîëèèìèäû è äðóãèå ìàòåðèàëû. Îñíîâíîé öåëüþ íàíåñåíèÿ ïîêðûòèé ÿâëÿåòñÿ óëó÷øåíèå ñâÿçè âîëîêîí ñî ñâÿçóþùèì, ïîñêîëüêó èìåííî ýòîò ôàêòîð â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåò ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå ÓÂ, â îñîáåííîñòè ñäâèãîâóþ ïðî÷íîñòü êîìïîçèòîâ. Íàèáîëåå ýôôåêòèâíîé òåõíîëîãèåé íàíåñåíèÿ ïîêðûòèé íà âîëîêíà (êàê â îòíîøåíèè âëèÿíèÿ íà ñâîéñòâà
- 72 êîìïîçèòà, òàê è â îòíîøåíèè ñòîèìîñòè) ÿâëÿåòñÿ æèäêîñòíàÿ îêèñëèòåëüíàÿ îáðàáîòêà. Ðàáîòû â íàïðàâëåíèè ïîèñêà ìåòîäîâ ïîâûøåíèÿ ñâÿçè ÓÂ ñî ñâÿçóþùèì ïðîäîëæàþòñÿ è â íàñòîÿùåå âðåìÿ. 2.6
Àðàìèäíûå âîëîêíà
Àðàìèäíûå âîëîêíà îòíîñÿòñÿ ê êëàññó àðîìàòè÷åñêèõ ïîëèàìèäíûõ âîëîêîí. Îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé õèìè÷åñêèå âîëîêíà, ïîëó÷åííûå íà îñíîâå ëèíåéíûõ âîëîêíîîáðàçóþùèõ ïîëèàìèäîâ, â êîòîðûõ íå ìåíåå 85 % àìèäíûõ ãðóïï íåïîñðåäñòâåííî ñâÿçàíî ñ äâóìÿ àðîìàòè÷åñêèìè êîëüöàìè. Òàêèå âîëîêíà îòëè÷àþòñÿ âûñîêèìè çíà÷åíèÿìè ïðî÷íîñòè, ìîäóëÿ óïðóãîñòè, òåïëîñòîéêîñòè è õåìîñòîéêîñòè. Âïåðâûå îíè ñòàëè èçâåñòíû ïîä ìàðêîé ¾êåâëàð¿.
2.6.1
Ïîëó÷åíèå è ïðîèçâîäñòâî
Àðàìèäíûå âîëîêíîîáðàçóþùèå ïîëèìåðû ïîëó÷àþò ìåòîäîì ïîëèêîíäåíñàöèè â ðàñòâîðå ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå (5 . . . 10 ◦ C). Ïîëèìåð ïîëó÷àþò äîáàâëåíèåì ê ðàñòâîðó ðåàãåíòîâ ïðè èíòåíñèâíîì ïåðåìåøèâàíèè. Ïîëèìåð âûäåëÿåòñÿ èç èñõîäíîãî ðàñòâîðà â âèäå ãåëÿ èëè êðîøêè, çàòåì ïðîìûâàåòñÿ è âûñóøèâàåòñÿ. Ïîëó÷åííûé ïîëèìåð ðàñòâîðÿåòñÿ â îäíîé èç ñèëüíûõ êèñëîò, íàïðèìåð, â êîíöåíòðèðîâàííîé ñåðíîé êèñëîòå. Èç ðàñòâîðà ïîëèìåðà ìåòîäîì ýêñòðóçèè ÷åðåç ôèëüåðû ôîðìóþòñÿ âîëîêíà è íèòè. Òåìïåðàòóðà ôîðìîâàíèÿ 50 . . . 100 ◦ C. Ýêñòðóäèðîâàííûå âîëîêíà ïðîõîäÿò íåáîëüøóþ âîçäóøíóþ ïðîñëîéêó (520 ìì) è ïîïàäàþò â îñàäèòåëüíóþ âàííó ñ õîëîäíîé âîäîé (ìåíåå 4 ◦ C). Âîëîêíî ïðîìûâàåòñÿ, ñîáèðàåòñÿ íà ïðèåìíîì óñòðîéñòâå è âûñóøèâàåòñÿ. Íà âûõîäå èç îñàäèòåëüíîé âàííû âîëîêíî ìîæåò ïîäâåðãàòüñÿ äîïîëíèòåëüíîé îáðàáîòêå (âûòÿãèâàíèå, òåðìîîáðàáîòêà) äëÿ ïîâûøåíèÿ åãî ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê. Ñâîéñòâà âîëîêîí ìîãóò çàâèñåòü îò ñîñòàâà èñõîäíîãî ñûðüÿ, ñâîéñòâ èñïîëüçîâàííûõ ðàñòâîðèòåëåé, óñëîâèé òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà ïîëó÷åíèÿ âîëîêîí è óñëîâèé òåðìîîáðàáîòêè ñôîðìîâàííûõ íèòåé. Âîëîêíî êåâëàð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðèñòàëëèçóþùèéñÿ ïîëèìåð. Õèìè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà âîëîêíà îòëè÷àåòñÿ âûñîêîé ñòåïåíüþ îðèåíòèðîâàííîñòè è æåñòêîñòè. Ýòè õàðàêòåðèñòèêè, â ÷àñòíîñòè, îáóñëîâëåíû íàëè÷èåì â ñòðóêòóðå áîëüøîãî êîëè÷åñòâà àðîìàòè÷åñêèõ (áåíçîëüíûõ) êîëåö. Ïî ñâîåé ñòðóêòóðå âîëîêíî êåâëàð ìîæåò áûòü îòíåñåíî ê ñåò÷àòûì ïîëèìåðàì (ðèñ. 2.13). Æåñòêèå ïîëèìåðíûå öåïè íàõîäÿòñÿ â ðàñïðÿìëåííîì ñîñòîÿíèè è îáðàçóþò î÷åíü ïëîòíóþ óïàêîâêó â îáúåìå âîëîêíà, ÷òî îïðåäåëÿåò âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà âîëîêíà òèïà êåâëàð. Êðèñòàëëè÷åñêàÿ ïðèðîäà ïîëèìåðà
- 73 H
H C
O N
N
C
C
C
N O
O
H H
C
N C
H
O C C
N O
N
H
O
Ðèñ. 2.13. Ñòðóêòóðà ìàêðîìîëåêóëû âîëîêíà êåâëàð îáåñïå÷èâàåò âûñîêóþ òåðìè÷åñêóþ ñòàáèëüíîñòü âîëîêîí, à íàëè÷èå àðîìàòè÷åñêèõ êîëåö â ñòðóêòóðå ìàêðîìîëåêóëû îáóñëîâëèâàåò õèìè÷åñêóþ ñòàáèëüíîñòü âîëîêîí. Áëàãîäàðÿ æåñòêîé ñåò÷àòîé ñòðóêòóðå ìàêðîìîëåêóë àðàìèäíûå âîëîêíà ïðè íàãðåâàíèè íå èñïûòûâàþò íèêàêèõ ôàçîâûõ ïðåâðàùåíèé âïëîòü äî òåìïåðàòóðû òåðìè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ. Âîëîêíà êåâëàð ïðîèçâîäÿòñÿ â âèäå òåõíè÷åñêèõ íèòåé ñ ðàçëè÷íîé ëèíåéíîé ïëîòíîñòüþ è ñòðóêòóðîé. ×èñëî ýëåìåíòàðíûõ âîëîêîí â òèïè÷íûõ íèòÿõ ìîæåò ìåíÿòüñÿ îò 130 äî 1000 ïðè èçãîòîâëåíèè òêàíåé è îò 500 äî 10000 ïðè èçãîòîâëåíèè êàíàòîâ è êîðäà. Êåâëàð âûïóñêàåòñÿ òàêæå â âèäå ïðÿæè, ðîâèíãà è òêàíåé. Âîëîêíà íåïðîçðà÷íû, îáû÷íûé äèàìåòð îêîëî 11 ìêì.
2.6.2
Ñâîéñòâà àðàìèäíûõ âîëîêîí
Àðàìèäíûå íèòè ñðåäè âñåõ îðãàíè÷åñêèõ âîëîêîí èìåþò íàèáîëåå âûñîêèå ýêñïëóàòàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè. Îíè îòëè÷àþòñÿ óñòîé÷èâîñòüþ ê âîçäåéñòâèþ ïëàìåíè, âûñîêèõ òåìïåðàòóð, îðãàíè÷åñêèõ ðàñòâîðèòåëåé, íåôòåïðîäóêòîâ è ò. ï. Àðàìèäíûå âîëîêíà ìåíåå õðóïêè ïî ñðàâíåíèþ ñ óãëåðîäíûìè è ñòåêëÿííûìè âîëîêíàìè è ïðèãîäíû äëÿ ïåðåðàáîòêè íà îáû÷íîì îáîðóäîâàíèè òåêñòèëüíûõ ïðîèçâîäñòâ. Àðàìèäíûå âîëîêíà îòëè÷àþòñÿ íàèáîëåå âûñîêèìè çíà÷åíèÿìè ïðî÷íîñòè è ìîäóëÿ óïðóãîñòè ñðåäè îðãàíè÷åñêèõ âîëîêîí. Õàðàêòåðíûå çíà÷åíèÿ èõ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê (ïëîòíîñòü ρ, ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè σb+ , ïðåäåëüíàÿ äåôîðìàöèÿ εmax , ìîäóëü óïðóãîñòè ïð ðàñòÿæåíèè E + ) ïðèâåäåíû â òàáë. 2.4.
- 74 -
Òàáëèöà 2.4. Òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê àðàìèäíûõ âîëîêîí êåâëàð
ρ, êã/ì3 1440
σb+ , ÌÏà 27003500
εmax ,% 2,54,0
E + , ÃÏà 100130
Ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïðî÷íîñòè àðàìèäíûõ âîëîêîí îò 3,5 ÃÏà äî 2,7 ÃÏà. Âîëîêíà ïðàêòè÷åñêè íå ïðîÿâëÿþò ïîëçó÷åñòè ïîä íàãðóçêîé. Âî âñåì èíòåðâàëå íàãðóçîê âïëîòü äî ðàçðóøåíèÿ çàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèé îò äåôîðìàöèé ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíîé. Íà ñâîéñòâà àðàìèäíûõ âîëîêîí çàìåòíîå âëèÿíèå îêàçûâàåò ñêðó÷èâàíèå íèòåé: ïðè ïîâûøåíèè ñòåïåíè êðó÷åíèÿ ìîäóëü óïðóãîñòè è ïðî÷íîñòü âîëîêîí çàìåòíî ñíèæàþòñÿ. Ïîëàãàþò, ÷òî ýòîò ýôôåêò ñâÿçàí ñ ïîâåðõíîñòíûì ïîâðåæäåíèåì âîëîêîí ïðè ñêðó÷èâàíèè. Ýòî ïðåäïîëîæåíèå ïîäòâåðæäàåòñÿ ðåçóëüòàòàìè èñïûòàíèé âîëîêîí íà óñòàëîñòü, êîòîðûå ïîêàçûâàþò, ÷òî âîëîêíà ìîãóò âûäåðæèâàòü áîëüøîå ÷èñëî öèêëîâ íàãðóæåíèÿ, åñëè îíè íå èñïûòûâàþò ïîâåðõíîñòíîãî òðåíèÿ. Ïðè íàëè÷èè òàêîãî òðåíèÿ äîëãîâå÷íîñòü âîëîêîí î÷åíü íåâûñîêà.
2.6.3
Âëèÿíèå ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ÊÌ, àðìèðîâàííûõ àðàìèäíûìè âîëîêíàìè
Âëèÿíèå ñâÿçóþùåãî íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîìïîçèòà îïðåäåëÿåòñÿ â îñíîâíîì äâóìÿ ïàðàìåòðàìè: àäãåçèåé è ìîäóëåì óïðóãîñòè. Ýòè äâà ôàêòîðà âëèÿþò íà òèï ðàçðóøåíèÿ ÊÌ è, â êîíå÷íîì ñ÷åòå, îïðåäåëÿþò óðîâåíü ïðî÷íîñòíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòà. Íèçêîìîäóëüíûå ñâÿçóþùèå îáû÷íî íå ñïîñîáíû îáåñïå÷èòü ïåðåðàñïðåäåëåíèå íàãðóçêè ìåæäó àðìèðóþùèìè âîëîêíàìè âî âñåì îáúåìå êîìïîçèòà. Ïðè ýòîì îòäåëüíûå âîëîêíà äåôîðìèðóþòñÿ íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà. Ðàçðóøåíèå (ðàçðûâ) îäíîãî âîëîêíà â òàêèõ ñëó÷àÿõ ìîæåò ïðèâåñòè ê çíà÷èòåëüíîìó ïåðåðàñïðåäåëåíèþ íàãðóçêè â åãî îêðåñòíîñòè è ïåðåíàïðÿæåíèþ ñîñåäíèõ âîëîêîí. Êàê ñëåäñòâèå, â òàêèõ ñëó÷àÿõ ÷àñòî íàáëþäàåòñÿ ëàâèíîîáðàçíûé ïðîöåññ ðàçðóøåíèÿ ìàòåðèàëà. Ñðåäíÿÿ ïðî÷íîñòü âîëîêíà â êîìïîçèòå îêàçûâàåòñÿ íèçêîé. Åñëè æå âûáðàííîå ñî÷åòàíèå àäãåçèè è ìîäóëÿ óïðóãîñòè îáåñïå÷èâàåò ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå íàãðóçîê ìåæäó âñåìè âîëîêíàìè ìàòåðèàëà, òî ñðåäíÿÿ (ýôôåêòèâíàÿ) ïðî÷íîñòü êîìïîçèòà áóäåò èìåòü áîëåå âûñîêîå çíà÷åíèå. Îáû÷íî íà ïðàêòèêå óäàåòñÿ ðåàëèçîâàòü íåêîòîðîå ñðåäíåå çíà÷åíèå ïîòåíöèàëüíîé ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà.
- 75 -
σb , M a
σb , M a
3000
3000
2000
2000
1000
1000
Vb ,%
0 0
30
60
90
Ðèñ. 2.14. Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè êîìïîçèòà îò îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ âîëîêîí êåâëàð
T,oC
0 0
50
100
150
Ðèñ. 2.15. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè êîìïîçèòà íà îñíîâå âîëîêíà êåâëàð ïðè ðàñòÿæåíèè
Ñ óâåëè÷åíèåì îáúåìíîãî ñîäåðæàíèÿ âîëîêíà ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà îáû÷íî ñíà÷àëà óâåëè÷èâàåòñÿ, à ïðè äîñòèæåíèè íåêîòîðîãî óðîâíÿ íàïîëíåíèÿ ñòàáèëèçèðóåòñÿ èëè äàæå ñíèæàåòñÿ. Õàðàêòåðíûé âèä çàâèñèìîñòè ïðåäåëà ïðî÷íîñòè êîìïîçèòîâ íà îñíîâå âîëîêîí êåâëàð îò îáúåìíîé äîëè âîëîêîí ïðèâåäåí íà ðèñ. 2.14. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, îïòèìàëüíîå ñîäåðæàíèå âîëîêîí ñîñòàâëÿåò 6570 %. Ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïðèâîäèò ê íåêîòîðîìó ñíèæåíèþ ïðî÷íîñòè ìèêðîïëàñòèêîâ èç àðàìèäíûõ âîëîêîí. Ïðèìåðíàÿ çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè îáðàçöîâ êîìïîçèòà ¾êåâëàðýïîêñèäíàÿ ñìîëà¿ îò òåìïåðàòóðû ïîêàçàíà íà ðèñ. 2.15. Ïîíèæåíèå òåìïåðàòóðû íà ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà ïðàêòè÷åñêè íå âëèÿåò. Çàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèé îò äåôîðìàöèé êîìïîçèòîâ íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí áëèçêà ê ëèíåéíîé. Âûäåðæèâàíèå îáðàçöîâ èçãîòîâëåííûõ èç îäíîíàïðàâëåííîãî êîìïîçèòà íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí ïîä ïîñòîÿííîé íàãðóçêîé â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè ñîïðîâîæäàåòñÿ óâåëè÷åíèåì èõ äåôîðìàöèè ïîëçó÷åñòüþ. Ñ óâåëè÷åíèåì óðîâíÿ íàãðóçêè äåôîðìàöèÿ, îáóñëîâëåííàÿ ïîëçó÷åñòüþ, ðàñòåò, ïðè÷åì, ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì íàãðóæåíèè çàâèñèìîñòü äåôîðìàöèè îò âðåìåíè ñòàíîâèòñÿ ëèíåéíîé äëÿ øèðîêîãî èíòåðâàëà íà÷àëüíûõ íàãðóçîê. Æåñòêîñòü è ïðî÷íîñòü êîìïîçèöèîííûõ âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ (ÊÂÌ) íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí ïðè ïîïåðå÷íîì ïî îòíîøåíèè ê íàïðàâëåíèþ
- 76 àðìèðîâàíèÿ íàãðóæåíèè çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì ïðè íàãðóæåíèè â íàïðàâëåíèè àðìèðîâàíèÿ. Èìåþòñÿ ðàçíûå äàííûå î õàðàêòåðèñòèêàõ êîìïîçèòà ïðè òàêîì âèäå íàãðóæåíèè, êîòîðûå çàâèñÿò îò ìåòîäà èñïûòàíèé, íî âñå îíè ïîêàçûâàþò, ÷òî íàãðóæåíèå â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè ÿâëÿåòñÿ íåâûãîäíûì ñ òî÷êè çðåíèÿ èñïîëüçîâàíèÿ ïîòåíöèàëüíûõ ïðî÷íîñòíûõ êà÷åñòâ ìàòåðèàëà. Ïðîáëåìà ïîâûøåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëà ïðè ïîïåðå÷íîì íàãðóæåíèè îáû÷íî ðåøàåòñÿ ïóòåì äîïîëíèòåëüíîãî âêëþ÷åíèÿ â êîìïîçèò àðìèðóþùèõ âîëîêîí äðóãèõ âèäîâ, íàïðèìåð, óãëåðîäíûõ èëè ñòåêëÿííûõ. Âûáîð óãëåðîäíûõ âîëîêîí ñâÿçàí ñ òåì, ÷òî èõ òåìïåðàòóðíûå õàðàêòåðèñòèêè (êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ) ñõîäíû ñ õàðàêòåðèñòèêàìè àðàìèäíûõ âîëîêîí. Òàêèå êîìïîçèòû ïðèíÿòî íàçûâàòü ¾ãèáðèäíûìè¿. Êåâëàð-óãëåðîäíûå êîìïîçèòû îòëè÷àþòñÿ ìåíüøåé ñòîèìîñòüþ è ìåíüøåé õðóïêîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñ óãëåðîäíûìè, ÷òî äåëàåò èõ äîñòàòî÷íî ïðèâëåêàòåëüíûìè, íåñìîòðÿ íà íåêîòîðîå ñíèæåíèå ïðî÷íîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ óãëåðîäíûìè ìàòåðèàëàìè. Åùå îäèí ñïîñîá ïîâûøåíèÿ ýêñïëóàòàöèîííûõ ñâîéñòâ îäíîíàïðàâëåííûõ êîìïîçèòîâ äîáàâëåíèå ê îñíîâíîìó àðìèðóþùåìó ìàòåðèàëó íåáîëüøîé îáúåìíîé äîëè êîðîòêî íàðåçàííûõ âîëîêîí (øòàïåëÿ). Òàêèå âîëîêíà îðèåíòèðîâàíû â ìàòåðèàëå ìåíåå îäíîðîäíî ïî ñðàâíåíèþ ñ äëèííûìè âîëîêíàìè è îáåñïå÷èâàþò äîïîëíèòåëüíîå ïåðåðàñïðåäåëåíèå íàãðóçîê â îáúåìå ìàòåðèàëà ïîìèìî ñâÿçóþùåãî. Ïðåäåë ïðî÷íîñòè è ìîäóëü óïðóãîñòè òàêèõ ìàòåðèàëîâ îáû÷íî íèæå, ÷åì ó îäíîíàïðàâëåííûõ, íî ðàáîòà, êîòîðóþ íåîáõîäèìî çàòðàòèòü íà èõ ðàçðóøåíèå çíà÷èòåëüíî âûøå (ïðèìåðíî â ïîëòîðà ðàçà).
2.6.4
Êîìïîçèòû íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí
Âûñîêèå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà àðàìèäíûõ âîëîêîí ñàìè ïî ñåáå åùå íå ãàðàíòèðóþò íàëè÷èÿ âûñîêèõ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ ó êîìïîçèòîâ íà èõ îñíîâå. Õàðàêòåðèñòèêè êîìïîçèòà âî ìíîãîì îïðåäåëÿþòñÿ âçàèìîäåéñòâèåì âîëîêîí ñî ñâÿçóþùèì. Òàêîå âçàèìîäåéñòâèå ïðèâîäèò ê ïåðåðàñïðåäåëåíèþ âíåøíèõ íàãðóçîê ìåæäó ýëåìåíòàìè ñòðóêòóðû àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòà. Ïîýòîìó îöåíêà õàðàêòåðèñòèê êîìïîçèòà äîëæíà ïðîâîäèòüñÿ íå òîëüêî ïî ñâîéñòâàì åãî êîìïîíåíòîâ, íî è ïî ñâîéñòâàì íåêîòîðûõ õàðàêòåðíûõ îáúåìîâ ìàòåðèàëà, îáëàäàþùèõ âñåìè õàðàêòåðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè êîìïîçèòà: ñòðóêòóðîé àðìèðîâàíèÿ, îáúåìíûì ñîîòíîøåíèåì êîìïîíåíòîâ è ò. ï. Íà ïðàêòèêå â êà÷åñòâå òàêèõ õàðàêòåðíûõ îáúåìîâ ÷àñòî ðàññìàòðèâàþò ñòðåíãè (æãóòû), ïðîïèòàííûå ñâÿçóþùèì è ïîäâåðãíóòûå îòâåðæäåíèþ. Òàêèå ñòðåíãè, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ñâîéñòâ êîìïîçèòà, íàçûâàþò . Òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ ìèêðîïëàñòèêîâ ïîâòîðÿåò òåõíîëîãèþ èçãîòîâëåíèÿ ðåàëüíûõ èçäåëèé èç êîìïîçèòà çà èñêëþ÷åíèåì îáúåìîâ ïðîèçâîäñòâà. Ïðè ïðîâåäåíèè ïîäîáíûõ
¾ìèêðîïëàñòèêàìè¿
- 77 èññëåäîâàíèé íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, ÷òî íà èõ ðåçóëüòàòû ìîãóò îêàçûâàòü âëèÿíèå òàêèå ôàêòîðû, êàê òîëùèíà ñòðåíãè (æãóòà), ìåòîä èñïûòàíèé è äðóãèå ôàêòîðû. Âëèÿíèå ðàçìåðîâ îáðàçöîâ íà ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå íåïðèÿòíûõ ôàêòîðîâ, ñóùåñòâåííî çàòðóäíÿþùèõ àíàëèç ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ. Òàêîå âëèÿíèå îáû÷íî ïëîõî ïîääàåòñÿ îöåíêå è íîñèò íàçâàíèå .
¾ìàñøòàáíîãî ýôôåêòà¿
2.6.5
Ïðèìåíåíèå ÊÂÌ íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí
ÊÂÌ íà îñíîâå àðàìèäíûõ âîëîêîí (êåâëàðà) ïðèìåíÿþòñÿ â àâèàöèè ïðè èçãîòîâëåíèè ÷àñòåé íåñóùèõ êîíñòðóêöèé, ïåðåáîðîê, äâåðåé, ïîëîâ, îáòåêàòåëåé. Ïðè èçãîòîâëåíèè âîåííîé òåõíèêè è ñíàðÿæåíèÿ ýòè ìàòåðèàëû íàõîäÿò ïðèìåíåíèå ïðè ïðîèçâîäñòâå êîðïóñîâ ðàêåòíûõ äâèãàòåëåé, ïóëåçàùèòíîé îäåæäû, ëåãêèõ áðîíåïëèò è ò. ï. Ïðèìåíåíèå êåâëàðà â äàííûõ èçäåëèÿõ ñâÿçàíî ñ ìàëîé ïëîòíîñòüþ è âûñîêîé ñòîéêîñòüþ ê óäàðíûì íàãðóçêàì. Íåâûñîêàÿ ïëîòíîñòü, õîðîøèå äåìïôèðóþùèå ñâîéñòâà, ãèáêîñòü ñïîñîáñòâóþò ïðèìåíåíèþ êåâëàðà ïðè èçãîòîâëåíèè ñïîðòèâíîãî ñíàðÿæåíèÿ: ëîäîê, êëþøåê è ò. ä. Âîëîêíà êåâëàðà â ÷èñòîì âèäå ëèáî â ñî÷åòàíèè ñ êàó÷óêîì èñïîëüçóþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè êàíàòîâ, êîòîðûå íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â ñóäîñòðîåíèè è ãîðíîì äåëå, ãäå îíè èñïîëüçóþòñÿ âìåñòî ñòàëüíûõ êàíàòîâ. Äîñòîèíñòâàìè òàêèõ êàíàòîâ ÿâëÿþòñÿ ìàëûé âåñ, âûñîêàÿ ïðî÷íîñòü, âûñîêàÿ êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü è õîðîøèå ýëåêòðîèçîëÿöèîííûå ñâîéñòâà. Êåâëàð íàõîäèò ïðèìåíåíèå ïðè èçãîòîâëåíèè øèí â êà÷åñòâå êîðäà, ãäå ñî÷åòàíèå òàêèõ ñâîéñòâ, êàê ìàëàÿ ïëîòíîñòü, õîðîøàÿ âèáðîñòîéêîñòü, âûñîêàÿ ïðî÷íîñòü è êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü äåëàþò åãî áîëåå âûãîäíûì ïî ñðàâíåíèþ ñ êîðäîì èç âèñêîçíûõ, ïîëèýôèðíûõ âîëîêîí è ñòàëüíîé ïðîâîëîêè.
Ãëàâà 3 Ìíîãîíàïðàâëåííûå êîìïîçèòû
3.1
Ââåäåíèå
Á îëüøàÿ ÷àñòü êîìïîçèòîâ âûïóñêàåòñÿ â âèäå îäíî- è äâóíàïðàâëåííûõ ìàòåðèàëîâ. Ýòè ñïîñîáû àðìèðîâàíèÿ îáóñëîâëåíû øèðîêèì ðàñïðîñòðàíåíèåì òàêèõ òåõíîëîãèé ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòîâ, êàê ýêñòðóçèÿ, ïóëòðóçèÿ (äëÿ îäíîíàïðàâëåííûõ ÊÌ) è ïðîïèòêà â ñî÷åòàíèè ñ âûêëàäêîé è ïðåññîâàíèåì (äëÿ äâóíàïðàâëåííûõ ÊÌ).  ïåðâîì ñëó÷àå äëÿ èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé èç êîìïîçèòîâ îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ æãóòû ëèáî ðîâèíãè, âî âòîðîì òêàíè, ïðîïèòàííûå ñâÿçóþùèì (àðìèðîâàííûå ïëàñòèêè). Îñíîâíîé ïðîáëåìîé, êîòîðàÿ âîçíèêàåò ïðè èñïîëüçîâàíèè òàêèõ êîìïîçèòîâ â êà÷åñòâå êîíñòðóêöèîííûõ èëè ôóíêöèîíàëüíûõ ìàòåðèàëîâ, ÿâëÿåòñÿ âûñîêàÿ ñòåïåíü àíèçîòðîïèè èõ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Íèçêàÿ ïðî÷íîñòü íà ñäâèã è âîçìîæíîñòü ðàññëîåíèÿ îãðàíè÷èâàþò îáëàñòè âîçìîæíîãî ïðèìåíåíèÿ òàêèõ ÊÌ.  êà÷åñòâå ìåð ïî ñíèæåíèþ àíèçîòðîïèè ñâîéñòâ èñïîëüçîâàëèñü ìíîãèå ïðèåìû: ïðèìåíåíèå ïðîñòåãàííûõ âîéëîêîâ è òêàíåé, âîðñîâûõ òêàíåé, ìíîãîñëîéíûõ òêàíåé. Îäíàêî íè îäèí èç ïîäîáíûõ ñïîñîáîâ íå ïîçâîëÿåò ðåøèòü ïðîáëåìó íèçêîé ìåæñëîåâîé ïðî÷íîñòè â ïîëíîé ìåðå. Ñèòóàöèÿ èçìåíèëàñü â ëó÷øóþ ñòîðîíó â êîíöå 60-õ ãîäîâ XX âåêà, êîãäà áûëè ðàçðàáîòàíû ñïîñîáû èçãîòîâëåíèÿ ìíîãîíàïðàâëåííûõ îáúåìíûõ ñòðóêòóð â âèäå áëîêîâ, ïîëûõ öèëèíäðîâ, óñå÷åííûõ êîíóñîâ è ò. ï. äëÿ àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòîâ ñ ïîëèìåðíîé è óãëåðîäíîé ìàòðèöåé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ òåõíîëîãèè ñîçäàíèÿ ìíîãîíàïðàâëåííîãî àðìèðîâàíèÿ ðàçâèòû íàñòîëüêî, ÷òî ïîçâîëÿþò óïðàâëÿòü ñâîéñòâàìè êîìïîçèòîâ â ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèÿõ çà ñ÷åò ïîäáîðà è ðàñïðåäåëåíèÿ â îáúåìå ìàòåðèàëà àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ. Îäíèì èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ âèäîâ ìíîãîíàïðàâëåííûõ êîìïîçèòîâ ñòàëè óãëåðîä-óãëåðîäíûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû (ÓÓÊÌ).
- 79 3.2
Ìíîãîíàïðàâëåííûå âîëîêîííûå êàðêàñû
Ìíîãîíàïðàâëåííûå êîìïîçèòû äàþò âîçìîæíîñòü ðåàëèçîâûâàòü çàäàííûå ñâîéñòâà ìàòåðèàëà â ðàçíûõ íàïðàâëåíèÿõ. Óïðàâëÿòü ñâîéñòâàìè êîìïîçèòà (òåðìè÷åñêèìè, ìåõàíè÷åñêèìè, ôèçè÷åñêèìè) ìîæíî ïóòåì ïîäõîäÿùåãî âûáîðà òàêèõ ïàðàìåòðîâ êàðêàñà, êàê îðèåíòàöèÿ âîëîêîí, îáúåìíîå ñîäåðæàíèå âîëîêîí â òðåáóåìûõ íàïðàâëåíèÿõ, øàã âîëîêîí, ïëîòíîñòü êàðêàñà, òèï íèòåé è âèä âîëîêîí. Çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå íà ñâîéñòâà êîíå÷íîãî èçäåëèÿ îêàçûâàþò òàêæå âûáîð ìàòðèöû è ñïîñîá èçãîòîâëåíèÿ êîìïîçèòà.
3.2.1
Âûáîð âîëîêîí
Âûáîð âîëîêîí çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ñðåäû, â êîòîðîé äîëæíî ðàáîòàòü ñîçäàâàåìîå èçäåëèå è âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ âîëîêîí â âèäå, ïðèãîäíîì äëÿ ñîçäàíèÿ òðåáóåìîé ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû àðìèðîâàíèÿ. Íàèáîëåå ÷àñòî â êà÷åñòâå àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ èñïîëüçóþòñÿ íèòè èç íåïðåðûâíûõ âèòûõ âîëîêîí, êîòîðûå óäåðæèâàþòñÿ âìåñòå ëèáî çà ñ÷åò ñêðó÷èâàíèÿ, ëèáî çà ñ÷åò íàíåñåíèÿ êàêîãî-ëèáî ïîêðûòèÿ (çàìàñëèâàòåëÿ), ëèáî ñî÷åòàíèåì îáîèõ ýòèõ ñïîñîáîâ. Íàíåñåíèå ïîêðûòèÿ ÷àñòî îáëåã÷àåò ïðîöåññ ïëåòåíèÿ íèòåé, à òàêæå ïîçâîëÿåò óëó÷øèòü ñîâìåñòèìîñòü âîëîêîí ñ ìàòðèöåé.  ñëó÷àå ÓÓÊÌ äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âûñîêèõ êîíñòðóêöèîííûõ ñâîéñòâ ïðèìåíÿþò âûñîêîïðî÷íûå âûñîêîìîäóëüíûå âîëîêíà, à â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà òðåáóåòñÿ îáåñïå÷èòü íèçêóþ òåïëîïðîâîäíîñòü (ôóíêöèîíàëüíîå ñâîéñòâî) èñïîëüçóþò áîëåå äåøåâûå íèçêîìîäóëüíûå âîëîêíà.  çàâèñèìîñòè îò òðåáîâàíèé, ïðåäúÿâëÿåìûõ ê êàðêàñó, íèòè ìîãóò áûòü ñîñòàâëåíû èç ñòðåíã (æãóòîâ ìîíîâîëîêîí) îäíîãî è òîãî æå èëè ðàçíûõ òèïîâ. Òàêèì îáðàçîì, â íèòè ìîãóò ïðèñóòñòâîâàòü ñòðåíãè èç íèçêî- è âûñîêîìîäóëüíûõ óãëåðîäíûõ âîëîêîí, à òàêæå èç âîëîêîí äðóãèõ òèïîâ, íàïðèìåð, áîðíûõ. Ñîåäèíåíèå ñòðåíã â íèòü âûïîëíÿåòñÿ ñëîæåíèåì èëè êðóòêîé. Ïðè âûáîðå âîëîêîí íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ìíîãèå ôàêòîðû, â ÷àñòíîñòè: âîçìîæíîå èçìåíåíèå ñâîéñòâ âîëîêîí â ïðîöåññå ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà, âëèÿíèå âçàèìîäåéñòâèÿ âîëîêîí ñ ìàòðèöåé íà ñâîéñòâà êîìïîçèòà, òèï ïëåòåíèÿ, ñòîèìîñòü, ñòàáèëüíîñòü ñâîéñòâ è äðóãèå. Âûáîð íàèáîëåå ïîäõîäÿùåãî òèïà âîëîêíà â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê îòäåëüíóþ (ñàìîñòîÿòåëüíóþ) çàäà÷ó ïðîåêòèðîâàíèÿ.
3.2.2
Ïðîåêòèðîâàíèå òêàíûõ ñòðóêòóð
Îäíèì èç íàèáîëåå øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûõ âèäîâ òêàíûõ ñòðóêòóð ÿâëÿþòñÿ îáû÷íûå òêàíè. Òàêèå ñòðóêòóðû îòíîñÿò ê äâóíàïðàâëåííûì (2D) ìà-
- 80 -
Ðèñ. 3.1. Ñõåìà ðàñïîëîæåíèÿ íèòåé â îäíîñëîéíîé òðåõíàïðàâëåííîé (3D) òêàíè òåðèàëàì. Òêàíè õàðàêòåðèçóþòñÿ øàãîì íèòåé, ðàçìåðîì (òîëùèíîé) íèòåé, ïðîöåíòíûì ñîäåðæàíèåì íèòåé â êàæäîì íàïðàâëåíèè, ïëîòíîñòüþ óïàêîâêè íèòåé è âèäîì ïåðåïëåòåíèÿ. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ 2D-òêàíåé ÿâëÿåòñÿ âûñîêàÿ ñòåïåíü àíèçîòðîïèè èõ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Íåêîòîðîå ñíèæåíèå ñòåïåíè àíèçîòðîïèè ñâîéñòâ òêàíåé ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ òàê íàçûâàåìûõ òðåõíàïðàâëåííûõ (3D) òêàíåé (ðèñ. 3.1), â êîòîðûõ ïðÿìûå íèòè â äâóõ âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèÿõ â ïëîñêîñòè òêàíè ôèêñèðóþòñÿ îõâàòûâàþùåé èõ íèòüþ òðåòüåãî íàïðàâëåíèÿ. Òàêèå ìàòåðèàëû õàðàêòåðèçóþòñÿ òåìè æå ïàðàìåòðàìè, ÷òî è 2D-òêàíè, è â îáùåì, â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè íàñëåäóþò èõ íåäîñòàòêè. Ãîðàçäî áîëåå øèðîêèå âîçìîæíîñòè äëÿ ñîçäàíèÿ ìàòåðèàëîâ ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè (äëÿ óïðàâëåíèÿ ñâîéñòâàìè ìàòåðèàëà) äàþò ìíîãîíàïðàâëåííûå ñòðóêòóðû. Íàèáîëåå ïðîñòàÿ ìíîãîíàïðàâëåííàÿ ñòðóêòóðà ñîñòîèò èç ñèñòåìû òðåõ âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íèòåé, êîòîðûå ðàñïîëîæåíû â íàïðàâëåíèÿõ ïðÿìîóãîëüíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò (3D-îðòîãîíàëüíàÿ ñòðóêòóðà).  ñòðóêòóðàõ òàêîãî òèïà âèä è êîëè÷åñòâî íèòåé ìîãóò âàðüèðîâàòüñÿ äëÿ êàæäîãî íàïðàâëåíèÿ.  çàâèñèìîñòè îò êîëè÷åñòâà íèòåé â êàæäîì íàïðàâëåíèè äëÿ îïèñàíèÿ òàêèõ ñòðóêòóð ïðèìåíÿþò îáîçíà÷åíèÿ âèäà X.Y.Z, ãäå X, Y, Z êîëè÷åñòâî íèòåé â íàïðàâëåíèè îñåé êîîðäèíàò x, y , z ñîîòâåòñòâåííî.  òîì ñëó÷àå, êîãäà X=Y=Z, ãîâîðÿò, ÷òî ñòðóêòóðà èìååò ñáàëàíñèðîâàííóþ óêëàäêó. Ìàêñèìàëüíàÿ ïëîòíîñòü óïàêîâêè íèòåé ïðè òàêîé óêëàäêå íå ìîæåò ïðåâûøàòü 75 % îò îáúåìà ìàòåðèàëà. Ïàðàìåòðû ñòðóêòóðû îïðåäåëÿþòñÿ õàðàêòåðèñòèêàìè îáîðóäîâàíèÿ, êîòîðîå èñïîëüçóåòñÿ äëÿ åå èçãîòîâëåíèÿ. Ýòè ïàðàìåòðû (÷èñëî íèòåé íà åäèíèöó äëèíû, ðàññòîÿíèå ìåæäó íèòÿìè, âèä íèòåé) â ñâîþ î÷åðåäü îïðåäåëÿþò ïëîòíîñòü, îáúåìíóþ äîëþ è ðàñïðåäåëåíèå âîëîêîí â êàðêàñå. Ïëîòíîñòü êàðêàñà è ðàñïðåäåëåíèå â íåì âîëîêîí âëèÿþò íà êîëè÷åñòâî è ðàçìåðû ïóñòîò, êîòîðûå îñòàþòñÿ ìåæäó íèòÿìè. Ýòè ïàðàìåòðû îïðåäåëÿþò óñëîâèÿ ïðîïèòêè (çàïîëíåíèÿ) êàðêàñà ñâÿçóþùèì. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàëûõ ïóñòîò ïðèìåíÿþò ïëîòíóþ óêëàäêó íèòåé ìàëîãî äèàìåòðà ñ ñîîòíîøåíèåì ÷èñëà íèòåé 1.1.1. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ áîëåå ðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ íèòåé â îáúåìå ïðèìåíÿþò ðàçëè÷íûå ìîäèôèêàöèè îðòîãîíàëüíîé 3D ñòðóêòóðû. Áëèçêèå ê èçî-
- 81 -
Ðèñ. 3.2. Ïÿòèíàïðàâëåííàÿ (5D) ñòðóêòóðà àðìèðîâàíèÿ
Ðèñ. 3.3. Ñõåìà îðèåíòàöèè íèòåé â îäèííàäöàòèíàïðàâëåííîé (11D) ñòðóêòóðå àðìèðîâàíèÿ
òðîïíûì ñâîéñòâàì îáåñïå÷èâàåò èñïîëüçîâàíèå ñòðóêòóð ñ 4, 5, 7 è 11 íàïðàâëåíèÿìè óêëàäêè íèòåé. Íàïðèìåð, 5-íàïðàâëåííîå àðìèðîâàíèå ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî íà îñíîâå 3D-îðòîãîíàëüíîé ñòðóêòóðû ïóòåì ââåäåíèÿ äâóõ äîïîëíèòåëüíûõ íàïðàâëåíèé óêëàäêè íèòåé â ïëîñêîñòè XY ïîä óãëîì ±45◦ ê íàïðàâëåíèþ îñåé êîîðäèíàò x è z (ðèñ. 3.2). Äëÿ óëó÷øåíèÿ ñâîéñòâ êîìïîçèòà â ñå÷åíèÿõ ìåæäó ïëîñêîñòÿìè àðìèðîâàíèÿ â îðòîãîíàëüíóþ 3D-ñõåìó àðìèðîâàíèÿ ââîäÿò äèàãîíàëüíûå íèòè, ñîåäèíÿþùåãî âåðøèíû ýëåìåíòàðíîãî áëîêà èëè ñåðåäèíû åãî ðåáåð, ÷òî îáåñïå÷èâàåò âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ ñåìèíàïðàâëåííûõ ñòðóêòóð àðìèðîâàíèÿ. Ñîâìåñòíîå èñïîëüçîâàíèå îáîèõ ñïîñîáîâ óêëàäêè äèàãîíàëüíûõ íèòåé ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü îäèííàäöàòèíàïðàâëåííûå ñòðóêòóðû (ðèñ. 3.3). Òàêèå ñëîæíûå ñõåìû àðìèðîâàíèÿ ïðèìåíÿþò ïðè èçãîòîâëåíèè îáúåìíûõ êàðêàñîâ èçäåëèé òèïà ëîïàòîê òóðáèí, ãîëîâíûõ ÷àñòåé êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ è ò. ï. Ðàñ÷åò ñõåì àðìèðîâàíèÿ ïîäîáíûõ èçäåëèé âûïîëíÿåòñÿ ñ ó÷åòîì ñèñòåìû íàãðóçîê (ìåõàíè÷åñêèõ è òåïëîâûõ), äåéñòâóþùèõ íà èçäåëèå â óñëîâèÿõ åãî ýêñïëóàòàöèè. Ïðè èçãîòîâëåíèè êàðêàñîâ, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òåëà âðàùåíèÿ, óêëàäêà áàçîâûõ íèòåé âåäåòñÿ â íàïðàâëåíèè îñåé êðèâîëèíåéíûõ ñèñòåì êîîðäèíàò. Äëÿ èçäåëèé öèëèíäðè÷åñêîé ôîðìû ýëåìåíòû àðìèðîâàíèÿ óêëàäûâàþòñÿ â ðàäèàëüíîì, îêðóæíîì è îñåâîì íàïðàâëåíèÿõ. Ïî ìåðå óêëàäêè íèòåé (ñ ðîñòîì òîëùèíû èçäåëèÿ) ðàññòîÿíèå ìåæäó ðàäèàëüíûìè ïó÷êàìè óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî ìîæåò ïðèâîäèòü ê íàðóøåíèþ çàäàííîé ñòðóêòóðû àðìè-
- 82 -
1
2 3 Ðèñ. 3.4. Ñõåìû 3D-àðìèðîâàíèÿ öèëèíäðè÷åñêèõ èçäåëèé: 1 îêðóæíûå íèòè, 2 îñåâûå íèòè, 3 ðàäèàëüíûå íèòè ðîâàíèÿ. Äëÿ ñîõðàíåíèÿ òðåáóåìîãî ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó ñîäåðæàíèåì àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ, îðèåíòèðîâàííûõ â ðàçíûõ íàïðàâëåíèÿõ, è ñîäåðæàíèåì ñâÿçóþùåãî ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ ëèáî æãóòû âîëîêîí óâåëè÷åííîãî äèàìåòðà, ëèáî äîïîëíèòåëüíûå óêîðî÷åííûå ðàäèàëüíûå æãóòû (ðèñ. 3.4).  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ èñïîëüçóþòñÿ êîíóñíûå ïó÷êè íèòåé (ïó÷êè íèòåé ñ ëèíåéíî èçìåíÿþùåéñÿ ïî äëèíå òîëùèíîé).
3.2.3
Èçãîòîâëåíèå ìíîãîíàïðàâëåííûõ ñòðóêòóð
Îáîðóäîâàíèå äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ìíîãîíàïðàâëåííûõ êàðêàñîâ ïðàêòè÷åñêè âñåãäà îòíîñèòñÿ ê óíèêàëüíûì èçäåëèÿì è çàùèùàåòñÿ âñåìè âîçìîæíûìè ñïîñîáàìè, â òîì ÷èñëå, íà óðîâíå ïàòåíòîâàíèÿ îñíîâíûõ ïðèíöèïîâ ïðîåêòèðîâàíèÿ è òåõíîëîãèé èçãîòîâëåíèÿ è ïðèìåíåíèÿ.  îòêðûòîì äîñòóïå èìååòñÿ ëèøü èíôîðìàöèÿ îáùåãî âèäà. Ñîãëàñíî òàêèì îáùåäîñòóïíûì äàííûì ìíîãîíàïðàâëåííûå ñòðóêòóðû èçãîòàâëèâàþò ðàçëè÷íûìè ñïîñîáàìè. Ê íàèáîëåå óïîòðåáèòåëüíûì èç íèõ îòíîñÿòñÿ: òêà÷åñòâî ñóõèõ íèòåé, ïðîøèâêà òêàíåé, ñáîðêà æåñòêèõ ïðóòêîâ, íàìîòêà íèòüþ è êîìáèíàöèè ýòèõ ñïîñîáîâ. Ñóõèå òêàíûå ñòðóêòóðû
Ýòîò ñïîñîá ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü ïðàêòè÷åñêè âñå ðàíåå ðàññìîòðåííûå ñõåìû ìíîãîíàïðàâëåííîãî àðìèðîâàíèÿ. Êàðêàñû îáû÷íî èçãîòàâëèâàþòñÿ âíóòðè íåñóùèõ ðàì, êîòîðûå ïîçâîëÿþò ïîñëåäîâàòåëüíî âûïîëíÿòü óêëàäêó íèòåé â ðàçíûõ íàïðàâëåíèÿõ.  ïðîöåññå óêëàäêè ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ âðåìåííûå çàìåíèòåëè ñèñòåì íèòåé äëÿ îòäåëüíûõ íàïðàâëåíèé, êîòîðûå ïîñòåïåííî óäàëÿþòñÿ èç ñîçäàâàåìîãî êàðêàñà è çàìåíÿþòñÿ íèòÿìè. Äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ñóõèõ òêàíûõ ñòðóêòóð ïðèìåíÿþòñÿ ñïåöèàëüíûå òêàöêèå ñòàíêè, êîíñòðóê-
- 83 öèÿ êîòîðûõ ïîñòîÿííî ñîâåðøåíñòâóåòñÿ è ïðèñïîñàáëèâàåòñÿ ê òðåáîâàíèÿì ïðîèçâîäñòâà. Âñå ìåòîäû ñóõîãî òêà÷åñòâà ñîñòîÿò â îðèåíòèðîâàíèè ïðÿìûõ íåïåðåïëåòàþùèõñÿ íèòåé â çàäàííûõ íàïðàâëåíèÿõ. Ïðîêîëîòûå òêàíûå ñòðóêòóðû
Ýòîò ñïîñîá ñîçäàíèÿ îáúåìíûõ êàðêàñîâ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìîäèôèêàöèþ îáû÷íîãî ñïîñîáà ñîçäàíèÿ îðòîãîíàëüíîé 3D-ñòðóêòóðû, â êîòîðîé íèòè â îäíîé èç êîîðäèíàòíûõ ïëîñêîñòåé çàìåíÿþòñÿ òêàíüþ. Äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ïîäîáíûõ ñòðóêòóð ñëîè òêàíè íàíèçûâàþò íà ðåøåòêó èç âåðòèêàëüíûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ñòåðæíåé. Ïîñëå íàáîðà ïàêåòà òðåáóåìîé òîëùèíû ìåòàëëè÷åñêèå ñòåðæíè çàìåíÿþò æåñòêèìè íèòÿìè (æãóòàìè), êîòîðûå ìîãóò áûòü ïðåäâàðèòåëüíî ïðîïèòàíû ñâÿçóþùèì è ïîäâåðãíóòû îòâåðæäåíèþ. Ïðè èçãîòîâëåíèè ïðîêîëîòûõ ñòðóêòóð ïðèìåíÿþò ðàçëè÷íûå âèäû òêàíåé è èõ ñî÷åòàíèÿ, à òàêæå ðàçëè÷íûå âèäû æåñòêèõ íèòåé (æãóòîâ). Äëÿ ïîâûøåíèÿ ñòåïåíè èçîòðîïèè ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ ñìåíà îðèåíòàöèè òêàíåé â ðàçíûõ ñëîÿõ ïàêåòà. Òèïè÷íûé øàã óêëàäêè ñòåðæíåé, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ñêðåïëåíèÿ ïàêåòà, ñîñòàâëÿåò 12 ìì. Ïî ñðàâíåíèþ ñ îðòîãîíàëüíîé 3D-óêëàäêîé ïàêåòû èç ïðîêîëîòîé òêàíè îáû÷íî õàðàêòåðèçóþòñÿ áîëüøèì îáúåìíûì ñîäåðæàíèåì âîëîêîí è áîëåå âûñîêîé ïëîòíîñòüþ. Ñáîðêà èç ïðåäâàðèòåëüíî ïîëèìåðèçîâàííûõ íèòåé
Äàííûé ñïîñîá íå òðåáóåò ïðèìåíåíèÿ òêàöêèõ ñòàíêîâ è òåõíîëîãèé òåêñòèëüíîãî ïðîèçâîäñòâà. Îñíîâíûìè ýëåìåíòàìè äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îáúåìíûõ êàðêàñîâ â ýòîì ñëó÷àå ÿâëÿþòñÿ ïðåäâàðèòåëüíî ïîëèìåðèçîâàííûå íèòè â âèäå ïðóòêîâ (æåñòêèõ ñòåðæíåé), êîòîðûå èçãîòàâëèâàþò ìåòîäîì ïóëòðóçèè èç âûñîêîïðî÷íûõ âîëîêîí, ïðîïèòàííûõ ñâÿçóþùèì. Ïîëèìåðèçîâàííûå ïó÷êè íèòåé îáû÷íî èìåþò òîëùèíó 12 ìì è ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå çàäàííîé ôîðìû äëÿ îáåñïå÷åíèÿ áîëåå ïëîòíîé óïàêîâêè. Îáîðóäîâàíèå, êîòîðîå ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ñáîðêè êàðêàñîâ ýòèì ñïîñîáîì, äîëæíî ïðåæäå âñåãî îáåñïå÷èâàòü òî÷íóþ îðèåíòàöèþ ïðè óêëàäêå êàæäîãî ñòåðæíÿ. Ïîñëå ñáîðêè êàðêàñà ïðîâîäèòñÿ ïðîïèòêà ñâÿçóþùèì è ïîëèìåðèçàöèÿ. Äî ïîëèìåðèçàöèè êàðêàñ ñàì ïî ñåáå íå îáëàäàåò öåëîñòíîñòüþ è äîëæåí óäåðæèâàòüñÿ â ñîáðàííîì âèäå çà ñ÷åò âíåøíåãî îáîðóäîâàíèÿ. Íàìîòêà
Ýòîò ñïîñîá ïîõîæ íà òåõíîëîãèþ ïðîêîëîòûõ òêàíåé. Îáû÷íî îí ïðèìåíÿåòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè êàðêàñîâ, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òåëà âðàùå-
- 84 íèÿ. Ïðåäâàðèòåëüíî íà öèëèíäðè÷åñêîì øàáëîíå ðàçìåùàþòñÿ ðàäèàëüíûå ñòåðæíè, èçãîòîâëåííûå èç æãóòîâ âîëîêîí, ïðîïèòàííûõ ñâÿçóþùèì è ïîäâåðãíóòûõ îòâåðæäåíèþ. Çàòåì ïðîìåæóòêè ìåæäó ðàäèàëüíûìè ñòåðæíÿìè çàïîëíÿþòñÿ íåïðåðûâíîé íèòüþ, ïðîïèòàííîé ñâÿçóþùèì. Íèòü óêëàäûâàåòñÿ ìåòîäîì íàìîòêè â îñåâîì è îêðóæíîì íàïðàâëåíèÿõ. Ïîñëå çàïîëíåíèÿ ïðîìåæóòêîâ ìåæäó ðàäèàëüíûìè ñòåðæíÿìè êàðêàñ ïîäâåðãàåòñÿ îòâåðæäåíèþ.
3.3
3.3.1
Óïëîòíåíèå ìíîãîíàïðàâëåííûõ ñòðóêòóð
Îáùèå çàìå÷àíèÿ
Êàðêàñ ñ ìíîãîíàïðàâëåííîé ñòðóêòóðîé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëóôàáðèêàò, êîòîðûé íåîáõîäèìî ïðåâðàòèòü â ìàêñèìàëüíî ïëîòíûé êîìïîçèò. Äëÿ òàêîãî ïðåâðàùåíèÿ (ïåðåðàáîòêè) ïðèìåíÿþò ðàçíûå ìåòîäû. Âûáîð ìåòîäà ïåðåðàáîòêè îïðåäåëÿåòñÿ ñòðóêòóðîé îáúåìíîãî êàðêàñà, ìàòåðèàëîì ìàòðèöû è òåõíîëîãèåé ïîñëåäóþùåé òåðìîîáðàáîòêè. Ïðè âûáîðå ìàòåðèàëà ìàòðèöû è òåõíîëîãèè óïëîòíåíèÿ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ñëåäóþùèå ôàêòîðû: ðàçìåð è ôîðìà êàðêàñà; òèï íèòåé, îïðåäåëÿþùèé òàêèå èõ ïàðàìåòðû, êàê õàðàêòåðèñòèêè ñìà÷èâàíèÿ è ñöåïëåíèÿ, çàâèñèìîñòü ñâîéñòâ íèòè îò òåìïåðàòóðû è äðóãèå; ãåîìåòðèÿ è ñõåìà ïåðåïëåòåíèÿ íèòåé, îïðåäåëÿþùèå ðàçìåðû ïîð, èõ ðàñïðåäåëåíèå â îáúåìå è ñòåïåíü ñâÿçàííîñòè (îòêðûòîñòè); îáúåìíîå ñîäåðæàíèå âîëîêîí â êàðêàñå; òèï êàðêàñà (ñóõîé èëè ïðåäâàðèòåëüíî ïðîïèòàííûé, ÷àñòè÷íî îòâåðæäåííûé). Ïðîöåññ óïëîòíåíèÿ (çàïîëíåíèÿ) êàðêàñà è ìàòåðèàë ìàòðèöû äîëæíû ñîîòâåòñòâîâàòü òèïó êàðêàñà è îáåñïå÷èâàòü òðåáóåìûå ñâîéñòâà êîíå÷íîãî èçäåëèÿ. Äàëüíåéøèå ïóíêòû îòíîñÿòñÿ ê ñïîñîáàì óïëîòíåíèÿ êàðêàñîâ ïðè èçãîòîâëåíèè èçäåëèé èç óãëåðîä-óãëåðîäíûõ êîìïîçèòîâ.
3.3.2
Ìåòîäû ïðîïèòêè æèäêîñòüþ
Ïðè âûáîðå ìàòðèöû äëÿ ïîëó÷åíèÿ óãëåðîä-óãëåðîäíîãî ìàòåðèàëà íåîáõîäèìî, ÷òîáû îíà îáëàäàëà äîñòàòî÷íîé âÿçêîñòüþ, ÷òîáû â ðåçóëüòàòå åå ïèðîëèçà îáåñïå÷èâàëñÿ ïðèåìëåìûé âûõîä êîêñà, à ñàì êîêñ îáëàäàë òðåáóåìîé ñòðóêòóðîé. Íàèáîëüøåå ïðèìåíåíèå â êà÷åñòâå ìàòåðèàëîâ äëÿ ïðîïèòêè
- 85 óãëåðîäíûõ êàðêàñîâ íàõîäÿò òåðìîðåàêòèâíûå ôåíîëüíûå è ôóðôóðèëîâûå ñìîëû, à òàêæå ïåêè èç êàìåííîóãîëüíîé ñìîëû èëè íåôòè. Òåðìîðåàêòèâíûå ñìîëû
Ñìîëû îòëè÷àþòñÿ õîðîøåé ïðîïèòûâàþùåé ñïîñîáíîñòüþ è ëåãêî äîñòóïíû, ïîñêîëüêó ïðèìåíÿþòñÿ â ïðîèçâîäñòâå ïëàñòìàññ. Ïðè ïèðîëèçå ýòè ñìîëû îáðàçóþò ñòåêëîâèäíûé óãëåðîä, êîòîðûé ãðàôèòèçèðóåòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 3000 ◦ C. Âûõîä êîêñà ñîñòàâëÿåò 5056 % ïî ìàññå, â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ îí äîñòèãàåò 70 %. Ïðîòåêàíèå ïðîöåññà îáðàçîâàíèÿ êîêñà çàâèñèò îò ìíîãèõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ïèðîëèçà è ñîñòàâà èñïîëüçóåìûõ ñìîë. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ íèçêàÿ ïëîòíîñòü êîêñà (< 1,5 ã/ñì3 ). Ñàìà ïðîöåäóðà ïèðîëèçà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàãðåâ êàðêàñà, ïðîïèòàííîãî ñìîëîé, äî òåìïåðàòóð ïîðÿäêà 400 . . . 600 ◦ C. Íàãðåâ ìîæåò ñîïðîâîæäàòüñÿ ïîâûøåíèåì äàâëåíèÿ äî 50 ÌÏà. Ïðîöåññ ïèðîëèçà íîñèò íàçâàíèå ¾êàðáîíèçàöèÿ¿. Îäíîé èç ïðîáëåì, âîçíèêàþùèõ ïðè êàðáîíèçàöèè, ÿâëÿåòñÿ óñàäêà ìàòðèöû, êîòîðàÿ ìîæåò äîñòèãàòü 20 %. Òàêàÿ óñàäêà ìîæåò ïðèâåñòè ê ïîâðåæäåíèþ êàðêàñà. Ïåêè
Ïåêè ÿâëÿþòñÿ òåðìîïëàñòè÷íûìè ìàòåðèàëàìè. Ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì âûäåðæèâàíèè ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 400 ◦ C â ïåêàõ èäåò îáðàçîâàíèå âûñîêîîðèåíòèðîâàííîé ôàçû (ìåçîôàçû), êîòîðàÿ ïðè òåìïåðàòóðå 2500 ◦ C ïåðåõîäèò â ãðàôèòîâóþ ñòðóêòóðó. Âûõîä êîêñà ñîñòàâëÿåò 5090 %. Ñòðóêòóðà êîêñà, ïîëó÷åííîãî â ðåçóëüòàòå êàðáîíèçàöèè ïåêà, çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû è äàâëåíèÿ. Ïëîòíîñòü êîêñà 2 ã/ñì3 . Ïðîïèòêà ïîä íèçêèì äàâëåíèåì
Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì ñïîñîáîì ïîëó÷åíèÿ ÓÓÊÌ ÿâëÿåòñÿ ïðîïèòêà êàðêàñà óãëåðîäîñîäåðæàùèì ñâÿçóþùèì ñ ïîñëåäóþùåé êàðáîíèçàöèåé êîìïîçèòà â èíåðòíîé àòìîñôåðå. Ïðîïèòêà ïðîâîäèòñÿ ïðè àòìîñôåðíîì èëè ïîíèæåííîì äàâëåíèè è ìîæåò ïðîâîäèòüñÿ â íåñêîëüêî öèêëîâ äëÿ ñíèæåíèÿ ïîðèñòîñòè. Ïðîïèòàííîå èçäåëèå ìîãóò ïîäâåðãàòü ïðåäâàðèòåëüíîé ïîëèìåðèçàöèè (â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ñìîë). Êàðáîíèçàöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì íàãðåâà èçäåëèÿ ñ çàäàííîé ñêîðîñòüþ äî òåìïåðàòóðû 650 . . . 1100 ◦ C ñ ïîñëåäóþùèì îõëàæäåíèåì. Ïðîöåññ êàðáîíèçàöèè äëèòñÿ â îáùåé ñëîæíîñòè îêîëî 100 ÷àñîâ. Òèïè÷íûé öèêë êàðáîíèçàöèè ïîêàçàí íà ðèñ. 3.5.
- 86 3000 T, C
1200 T, C
900
1500
600
300 t,
0 0
25
50
75
100
Ðèñ. 3.5. Òèïè÷íûé öèêë êàðáîíèçàöèè
t,
0 0
15
30
Ðèñ. 3.6. Òèïè÷íûé öèêë ãðàôèòèçàöèè
Ñëåäóþùèì øàãîì ÿâëÿåòñÿ ãðàôèòèçàöèÿ, êîòîðàÿ ïðîâîäèòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå 2600 . . . 2750 ◦ C. Äëèòåëüíîñòü ãðàôèòèçàöèè ñîñòàâëÿåò îêîëî 30 ÷àñîâ (ðèñ. 3.6). Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíî ïëîòíîãî êîìïîçèòà öèêë ¾ïðîïèòêàêàðáîíèçàöèÿ¿ ïðîâîäèòñÿ íåñêîëüêî ðàç (56). Ãðàôèòèçàöèÿ ïðè öèêëè÷åñêîì ïðîöåññå ìîæåò âûïîëíÿòüñÿ òîëüêî îäèí ðàç â êîíöå ïîñëåäíåãî öèêëà óïëîòíåíèÿ. Ïðè äàííîì ñïîñîáå óïëîòíåíèÿ ïðàêòè÷åñêè äîñòèãàåòñÿ çíà÷åíèå ïëîòíîñòè 1,651,67 ã/ñì3 ïðè òåîðåòè÷åñêîé ïëîòíîñòè óãëåðîäà 1,8 ã/ñì3 . Ïðîïèòêà ïîä âûñîêèì äàâëåíèåì
Èçâåñòíî, ÷òî ïðè êàðáîíèçàöèè ïåêà ïîä âûñîêèì äàâëåíèåì âûõîä êîêñà ìîæåò óâåëè÷èâàòüñÿ.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ïîâûøåíèå äàâëåíèå îò àòìîñôåðíîãî (0,1 ÌÏà) äî 70 ÌÏà ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ âûõîäà êîêñà îò 50 % äî 85 %. Ïîýòîìó ñ öåëüþ ïîâûøåíèÿ âûõîäà êîêñà ïðè ïðîïèòêå îáúåìíûõ êàðêàñîâ ïåêàìè ïðèìåíÿþò âûñîêîå äàâëåíèå. Ïðîöåäóðà ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàåò ñ ìåòîäîì ïðîïèòêè ïîä íèçêèì äàâëåíèåì, çà èñêëþ÷åíèåì òîãî, ÷òî êàðêàñ ïîìåùàåòñÿ â òîíêîñòåííûé ìåòàëëè÷åñêèé êîíòåéíåð, êóäà ïîä äàâëåíèåì ïîäàåòñÿ ãîðÿ÷èé ïåê. Ïîñëå çàïîëíåíèÿ êîíòåéíåðà îí çàêðûâàåòñÿ è âûäåðæèâàåòñÿ â àâòîêëàâå îêîëî ñóòîê ïîä äàâëåíèåì 6 . . . 100 ÌÏà ïðè òåìïåðàòóðå 550 . . . 650 ◦ C. Äàâëåíèå â àâòîêëàâå ïåðåäàåòñÿ íà ïðîïèòàííûé êàðêàñ ÷åðåç ñòåíêè êîíòåéíåðà. Ïðîöåññ ïðîïèòêè è êàðáîíèçàöèè ìîæåò ïîâòîðÿòüñÿ íåñêîëüêî ðàç. Ïîñëå êàðáîíèçàöèè çàãîòîâêà óäàëÿåòñÿ èç êîíòåéíåðà è ïîäâåðãàåòñÿ ãðàôèòèçàöèè, â ïðîöåññå êîòîðîé òåìïåðàòóðà ìîæåò äîñòèãàòü 2300 ◦ C è áîëåå. Ïîëíûé öèêë îáðàáîòêè ïîâòîðÿåòñÿ íåñêîëüêî ðàç äî äîñòè-
- 87 -
1
H2
H2
2 3 4
CH4
Ðèñ. 3.7. Ñõåìà îñàæäåíèÿ óãëåðîäà èç ãàçîâîé ôàçû: 1 êîæóõ, 2 èíäóêöèîííàÿ êàòóøêà, 3 ãðàôèòîâûé ñåðäå÷íèê, 4 êàðêàñ èç óãëåðîäíûõ íèòåé
æåíèÿ íåîáõîäèìîé ïëîòíîñòè êîìïîçèòà. Ïðîïèòêà ïîä âûñîêèì äàâëåíèåì ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü áîëåå ïëîòíûé êîìïîçèò. Èìåþòñÿ è äðóãèå ïðåèìóùåñòâà èñïîëüçîâàíèÿ âûñîêîãî äàâëåíèÿ. Ãîðÿ÷èé ïåê ïîä äàâëåíèåì ñïîñîáåí çàïîëíÿòü áîëåå ìåëêèå ïîðû, ÷åì ïðè îòñóòñòâèè äàâëåíèÿ. Âûñîêîå äàâëåíèå òàêæå ïðåäîòâðàùàåò âûäàâëèâàíèå ðàñïëàâëåííîãî ïåêà èç ïîð ãàçîîáðàçíûìè ïðîäóêòàìè ïèðîëèçà â ïðîöåññå êàðáîíèçàöèè.
3.3.3
Ìåòîä îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû
Äàííàÿ òåõíîëîãèÿ ïðåäóñìàòðèâàåò îñàæäåíèå óãëåðîäà èç ãàçîîáðàçíîãî óãëåâîäîðîäà (ìåòàí èëè ïðèðîäíûé ãàç) íà óãëåðîäíóþ ïîäëîæêó (ðèñ. 3.7). Ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà îñàæäåíèÿ êàðêàñ ïîìåùàåòñÿ â ïå÷ü, â êîòîðîé îí íàãðåâàåòñÿ. Âî âíóòðåííèé îáúåì êàðêàñà ïîäàåòñÿ ãàçîîáðàçíûé óãëåâîäîðîä, èç êîòîðîãî ïðè ïðîõîæäåíèè ñêâîçü ïîðû êàðêàñà íà ïîâåðõíîñòè âîëîêîí îñàæäàåòñÿ óãëåðîä. Ïðîöåññ îñàæäåíèÿ ïîâòîðÿåòñÿ íåñêîëüêî ðàç, ìåæäó öèêëàìè íåîáõîäèìî óäàëÿòü óãëåðîäíóþ êîðêó, êîòîðàÿ îáðàçóåòñÿ íà ïîâåðõíîñòè êàðêàñà äëÿ âñêðûòèÿ ïîð.
- 88 Èìåþòñÿ ðàçíûå âàðèàíòû äàííîãî ñïîñîáà, êîòîðûå ðàçëè÷àþòñÿ ñïîñîáîì ïðîïóñêàíèÿ óãëåâîäîðîäà ñêâîçü ïîðû è ïóñòîòû êàðêàñà. Äëÿ âñåõ ýòèõ ñïîñîáîâ õàðàêòåðíà îäíà è òà æå ïðîáëåìà, êîòîðàÿ çàêëþ÷àåòñÿ â òðóäíîñòè äîñòèæåíèÿ ïîëíîé ïðîïèòêè êàðêàñà èç-çà ýôôåêòà ¾ãîðëûøêà áóòûëêè¿. Ýôôåêò ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ çàêóïîðèâàþòñÿ ìàëûå ïîðû è óçêèå ïðîõîäû ìåæäó êðóïíûìè ïîðàìè, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ çàìêíóòûõ ïðîñòðàíñòâ âíóòðè êàðêàñà (çàêðûòîé ïîðèñòîñòè). Ìàêñèìàëüíàÿ ïëîòíîñòü ÓÓÊÌ, äîñòèãíóòàÿ ïðè òàêîì ïðîöåññå ñîñòàâëÿåò 1,5 ã/ñì3 . Ïîâûøåíèå ñòåïåíè ïðîïèòêè ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî çà ñ÷åò ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè êàðêàñà ìåæäó öèêëàìè ïðîïèòêè ñ öåëüþ âñêðûòèÿ çàêóïîðåííûõ ïðîñòðàíñòâ. Èçâåñòíû ïðèìåðû ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòà ñ ïëîòíîñòüþ 1,6 ã/ñì3 ìåòîäîì îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû. Öèêëû ïðîïèòêè ïðè ýòîì ÷åðåäîâàëèñü ñ ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêîé, îñíîâíîé öåëüþ êîòîðîé áûëî âñêðûòèå îñòàþùèõñÿ ïîñëå î÷åðåäíîãî öèêëà îñàæäåíèÿ óãëåðîäà ïîð. Âñÿ ïðîöåäóðà çàíÿëà 27 ñóòîê.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ìåòîäû ïðîïèòêè æèäêîñòüþ è îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû èñïîëüçóþòñÿ ïî î÷åðåäè â ðàìêàõ åäèíîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî öèêëà.
3.4
Âëèÿíèå ñîñòàâà è òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ íà ñâîéñòâà ÓÓÊÌ
Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ÓÓÊÌ îáÿçàòåëüíûì ýòàïîì ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ âûáîð êîíñòðóêöèè àðìèðóþùåãî êàðêàñà, òèïà âîëîêîí, èñõîäíîãî ìàòåðèàëà ìàòðèöû, à òàêæå òåõíîëîãèé èçãîòîâëåíèÿ êàðêàñà è åãî óïëîòíåíèÿ. Âñå ýòè ïàðàìåòðû âëèÿþò íà ñâîéñòâà êîíå÷íîãî èçäåëèÿ. Óñòàíîâëåíî, ÷òî èçãîòîâëåíèå âûñîêîïëîòíûõ êàðêàñîâ èç îáû÷íûõ íèòåé íåæåëàòåëüíî, ïîñêîëüêó â òàêèõ êàðêàñàõ èìååò ìåñòî ïîâðåæäåíèå íèòåé â ðåçóëüòàòå î÷åíü òåñíîãî èõ ðàçìåùåíèå. Ëó÷øèå ðåçóëüòàòû äîñòèãàþòñÿ ïðè èñïîëüçîâàíèè ïðåäâàðèòåëüíî ïîëèìåðèçîâàííûõ æãóòîâ, êîòîðûå èìåþò áîëåå âûñîêóþ ïîâåðõíîñòíóþ ïðî÷íîñòü ïî ñðàâíåíèþ ñ ïðîñòûì âîëîêíîì. Ïîâûøåíèå ïðî÷íîñòè è ìîäóëÿ óïðóãîñòè èñõîäíûõ âîëîêîí ñîïðîâîæäàåòñÿ îáùèì ïîâûøåíèåì ïðî÷íîñòè è ìîäóëÿ óïðóãîñòè êîìïîçèòà. Óïëîòíåíèå êàðêàñà ìåòîäîì îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû îáû÷íî ïðèâîäèò ê ïîëó÷åíèþ ãðàíèöû ðàçäåëà ¾ìàòðèöà-âîëîêíî¿ ñ áîëåå âûñîêèìè ñâîéñòâàìè, ÷åì â ñëó÷àå ïðîïèòêè æèäêîñòüþ, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êîìïîçèòà. Îäíàêî âëèÿíèå ïàðàìåòðîâ òåðìîîáðàáîòêè ìîæåò ïðèâåñòè ê òîìó, ÷òî â êîíå÷íîì ïðîäóêòå ýòîò ôàêòîð îêàæåòñÿ íåñóùåñòâåííûì.
- 89 Ê ÷èñëó íàèáîëåå âàæíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ îòíîñÿòñÿ òåìïåðàòóðà è äàâëåíèå. Ýòè ôàêòîðû, îñîáåííî âûñîêàÿ òåìïåðàòóðà, ìîãóò ïðèâîäèòü ê íåîáðàòèìûì èçìåíåíèÿì â êîìïîíåíòàõ êîìïîçèòà. Ñî÷åòàíèå ýòèõ ïàðàìåòðîâ îïðåäåëÿåò ñòåïåíü ¾ãðàôèòèçàöèè¿ âîëîêîí è ìàòðèöû, à çíà÷èò, ñòåïåíü îðèåíòèðîâàííîñòè èõ ñòðóêòóðû è óðîâåíü ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Äðóãèì ïàðàìåòðîì, ñâÿçàííûì ñ òåìïåðàòóðîé è äàâëåíèåì, ÿâëÿþòñÿ íàïðÿæåíèÿ, äåéñòâóþùèå â êîìïîçèòå âî âðåìÿ åãî èçãîòîâëåíèÿ. Ýòè íàïðÿæåíèÿ ìîãóò ïðèâîäèòü ê ðàçðóøåíèþ ãðàíèö ðàçäåëà ìåæäó ìàòðèöåé è âîëîêíàìè, ðàññëîåíèþ ìàòðèöû, ïîâðåæäåíèþ âîëîêîí. Õàðàêòåð ãðàíèöû ðàçäåëà ìåæäó âîëîêíàìè è ìàòðèöåé â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåò ÷óâñòâèòåëüíîñòü êîìïîçèòà ê äåôåêòàì è õàðàêòåð ðàçðóøåíèÿ (õðóïêèé èëè âÿçêèé). Êîìïîíåíòû ÓÓÊÌ îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé õðóïêîñòüþ, ïîýòîìó âûñîêîïðî÷íàÿ ãðàíèöà, ïîëíîñòüþ ïåðåäàþùàÿ íàãðóçêó îò ìàòðèöû ê âêëþ÷åíèÿì, ìîæåò ïîñëóæèòü ïðè÷èíîé ïðåæäåâðåìåííîãî ðàçðóøåíèÿ ìàòåðèàëà. Áîëåå âûãîäíîé îêàçûâàåòñÿ âîçìîæíîñòü ÷àñòè÷íîãî ïîâðåæäåíèÿ ãðàíèöû ïðè ïîâûøåíèè íàïðÿæåíèé, äåéñòâóþùèõ â êîìïîçèòå.  ýòîì ñëó÷àå ìàòåðèàë ïðèîáðåòàåò â íåêîòîðîé ñòåïåíè âÿçêèå ñâîéñòâà, åãî ïîâåäåíèå ïîä íàãðóçêîé èìååò ïñåâäîïëàñòè÷íûé õàðàêòåð. Ïñåâäîïëàñòè÷íîñòü îáóñëîâëåíà îòñëîåíèåì âîëîêîí è ìèêðîðàñòðåñêèâàíèåì ìàòðèöû ïðè íàãðóçêàõ áëèçêèõ ê ïðåäåëüíûì. Òàêèå ìèêðîïîâðåæäåíèÿ ïîçâîëÿþò êîìïîçèòó íåóïðóãî äåôîðìèðîâàòüñÿ è âûäåðæèâàòü âíåøíåå íàãðóæåíèå áåç õðóïêîãî ðàçðóøåíèÿ èçäåëèÿ â öåëîì. Îñàæäåíèå ìàòðèöû èç ãàçîâîé ôàçû ïðèâîäèò ê íàëè÷èþ íà ãðàíèöå ðàçäåëà ¾ìàòðèöà-âêëþ÷åíèå¿ î÷åíü ìåëêèõ ÷àñòèö ïèðîóãëåðîäà (ìåëêîäèñïåðñíîé ñàæè), êîòîðûå âûïîëíÿþò ðîëü ñìàçêè è ñïîñîáñòâóþò ïðîÿâëåíèþ êîìïîçèòîì ïñåâäîïëàñòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïðè âûñîêèõ íàãðóçêàõ. Ñòåïåíü ñâÿçè âîëîêîí ñ ìàòðèöåé âî ìíîãîì çàâèñèò îò ñîñòîÿíèÿ ïîâåðõíîñòè âîëîêîí, èñõîäíîãî ìàòåðèàëà ìàòðèöû è òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ êîìïîçèòà. Íàëè÷èå íà ïîâåðõíîñòè âîëîêîí ñëîÿ, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ óëó÷øåíèÿ ñöåïëåíèÿ âîëîêîí ñ ìàòðèöåé, ìîæåò ïðèâåñòè ê îáðàçîâàíèþ ÷ðåçìåðíî æåñòêîé ãðàíèöû ðàçäåëà ìåæäó ìàòðèöåé è âîëîêíîì.  ðåçóëüòàòå âìåñòî êîìïîçèòà áóäåò ïîëó÷åíà ïðàêòè÷åñêè îäíîðîäíàÿ óãëåðîäíàÿ õðóïêàÿ ñðåäà.  ýòîì îòíîøåíèè áîëåå âûãîäíûì äëÿ óïëîòíåíèÿ îáúåìíûõ êàðêàñîâ ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå ïåêîâ, â êîòîðûõ ïðè ïèðîëèçå îáðàçóþòñÿ ÷àñòèöû êîêñà, íå ñâÿçàííûå äðóã ñ äðóãîì, íî äîñòàòî÷íî ïðî÷íûå äëÿ ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèé ìåæäó ìàòðèöåé è âîëîêíàìè. Ïîìèìî ýòîãî íà ñâîéñòâà êîìïîçèòà çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå îêàçûâàþò ðåçóëüòàòû ôèçè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â ïðîöåññå åãî èçãîòîâëåíèÿ. Íàèáîëåå âàæíûìè ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå:
- 90 1) Çíà÷èòåëüíîå èçìåíåíèå îáúåìà ìàòðèöû ïðè îáðàçîâàíèè óãëåðîäà â ðåçóëüòàòå ïèðîëèçà èñõîäíîãî îðãàíè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ. Âåëè÷èíà ýòîãî èçìåíåíèÿ äëÿ íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ ìîæåò äîñòèãàòü 6065 %. Òàêîå èçìåíåíèå îáúåìà ìîæåò ïðèâåñòè ê ïîâðåæäåíèþ êîìïîçèòà. 2) Èçìåíåíèå òèïà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà ìåæäó âîëîêíîì è ìàòðèöåé.  èñõîäíîì âèäå ýòà ïîâåðõíîñòü îáðàçîâàíà îðãàíè÷åñêîé ìàòðèöåé è óãëåðîäíûì âîëîêíîì, â êîíå÷íîì âèäå óãëåðîäíîé ìàòðèöåé è óãëåðîäíûì âîëîêíîì. Èçìåíåíèå òèïà ãðàíèöû ñîïðîâîæäàåòñÿ èçìåíåíèåì õàðàêòåðà âçàèìîäåéñòâèÿ êîìïîíåíòîâ ìàòåðèàëà íà ýòîé ãðàíèöå. 3) Èçìåíåíèå ñâîéñòâ âîëîêîí â ðåçóëüòàòå äëèòåëüíîé òåðìîîáðàáîòêè è âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ìàòåðèàëîì ìàòðèöû. 4) Íàëè÷èå ñòðóêòóðíûõ íàïðÿæåíèé, âûçâàííûõ ðàçëè÷èåì êîýôôèöèåíòîâ òåðìè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ ìàòåðèàëîâ ìàòðèöû è âîëîêîí, êîòîðîå ìîæåò ïðèâîäèòü ê ïîâðåæäåíèþ êîìïîçèòà âî âðåìÿ òåðìîîáðàáîòêè. Õàðàêòåð âëèÿíèÿ âñåõ ýòèõ ïàðàìåòðîâ íà ñâîéñòâà êîìïîçèòà èçó÷åí ïëîõî. Èìåþòñÿ òîëüêî íåêîòîðûå îöåíêè, îñíîâàííûå íà àíàëèçå ðåçóëüòàòîâ ïðèìåíåíèÿ ðàçëè÷íûõ òåõíîëîãèé íà ïðàêòèêå.
3.5
Ïðèìåíåíèå ïðîñòðàíñòâåííî àðìèðîâàííûõ ÓÓÊÌ
Ïðîèçâîäñòâî ìíîãîíàïðàâëåííûõ óãëåðîä-óãëåðîäíûõ êîìïîçèòîâ ÿâëÿåòñÿ äîâîëüíî äîðîãèì ïðîöåññîì, ïîýòîìó ýêîíîìè÷åñêè èõ ïðèìåíåíèå îïðàâäàíî òîëüêî â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà îíè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îñîáî îòâåòñòâåííûõ èçäåëèé. Ïîýòîìó ÓÓÊÌ ïðèìåíÿþòñÿ â îñíîâíîì â àýðîêîñìè÷åñêîé è íåêîòîðûõ äðóãèõ ñïåöèàëüíûõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Åùå îäíèì ôàêòîðîì, ñäåðæèâàþùèì áîëåå øèðîêîå èñïîëüçîâàíèå ÓÓÊÌ, ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîñòü ïðîåêòèðîâàíèÿ è îòñóòñòâèå íàäåæíûõ ìåòîäîâ ðàñ÷åòà è ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ òàêèõ ìàòåðèàëîâ. Íåäîñòàòêîì ÓÓÊÌ ÿâëÿåòñÿ òàêæå èõ ñêëîííîñòü ê îêèñëåíèþ ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì âîçäåéñòâèè âûñîêèõ òåìïåðàòóð. Ýòîò ôàêòîð íå èãðàåò îñîáîé ðîëè ïðè èçãîòîâëåíèè ýëåìåíòîâ òåïëîçàùèòû è äâèãàòåëåé ðàêåò è êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ îäíîðàçîâîãî èñïîëüçîâàíèÿ, íî äëèòåëüíîå èñïîëüçîâàíèå ÓÓÊÌ âîçìîæíî òîëüêî â áåñêèñëîðîäíîé ñðåäå. Íàèáîëåå ÷àñòî ÓÓÊÌ ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè îáòåêàòåëåé ãîëîâíûõ ÷àñòåé ðàêåò, ñîïëîâûõ áëîêîâ ðàêåòíûõ äâèãàòåëåé è òåïëîçàùèòû âîçâðàùàåìûõ êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Íàïðèìåð, èçãîòîâëåíèå ñîïåë ðàêåòíûõ äâèãàòåëåé ïîëíîñòüþ èç ÓÓÊÌ ïîçâîëÿåò ñíèçèòü èõ ìàññó íà 3050 % ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàäèöèîííûìè êîí-
- 91 ñòðóêöèÿìè (íà îñíîâå âîëüôðàìà) ïðè áîëåå âûñîêèõ ýêñïëóàòàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèêàõ è ìåíüøåé ñòîèìîñòè. Åùå îäíèì ïåðñïåêòèâíûì íàïðàâëåíèåì ïðèìåíåíèÿ ÓÓÊÌ ÿâëÿåòñÿ ìåäèöèíà.  ýòîé îáëàñòè èçó÷àþòñÿ âîçìîæíîñòè äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ ÓÓÊÌ â êà÷åñòâå ìàòåðèàëà äëÿ èçãîòîâëåíèÿ êîñòíûõ èìïëàíòàòîâ. ÓÓÊÌ îáëàäàþò äîñòàòî÷íî õîðîøåé áèîëîãè÷åñêîé ñîâìåñòèìîñòüþ ñ æèâûìè òêàíÿìè, à èõ ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà áëèçêè ê ñâîéñòâàì êîñòíûõ òêàíåé. Îäíèì èç âàæíûõ ôàêòîðîâ ÿâëÿåòñÿ âîìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ïîðèñòîé ñòðóêòóðû êîìïîçèòà, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ îáÿçàòåëüíûì óñëîâèåì äëÿ íàäåæíîãî ñîâìåùåíèÿ ñ æèâîé êîñòíîé òêàíüþ, êîòîðàÿ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè çàïîëíÿåò ïîðû èìïëàíòàòà. ÓÓÊÌ èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ïðåññ-ôîðì äëÿ ãîðÿ÷åãî ïðåññîâàíèÿ, êîòîðûå îòëè÷àþòñÿ õîðîøèìè ýêñïëóàòàöèîííûìè ñâîéñòâàìè: ìàëûì âåñîì, âûñîêîé ïðî÷íîñòüþ è õîðîøåé òåðìîñòîéêîñòüþ. Ïîìèìî ýòîãî, ÓÓÊÌ èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ äèñêîâûõ òîðìîçîâ äëÿ ñàìîëåòîâ, âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ òðóáîïðîâîäîâ, ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèé ÿäåðíûõ ðåàêòîðîâ, ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ è äðóãèõ èçäåëèé. Ïðèìåðû èçäåëèé èç ìíîãîíàïðàâëåííûõ (îáúåìíûõ) êîìïîçèòîâ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 3.8.
Ðèñ. 3.8. Îáðàçöû èçäåëèé èç ìíîãîíàïðàâëåííûõ êîìïîçèòîâ Ïîëîæèòåëüíûìè êà÷åñòâàìè ÓÓÊÌ ÿâëÿþòñÿ äîñòóïíîñòü èñõîäíîãî ñûðüÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ óãëåðîäíûõ âîëîêîí è ìàòðèö, à òàêæå êîìïëåêñ âûñîêèõ ìåõàíè÷åñêèõ è ýêñïëóàòàöèîííûõ ñâîéñòâ, è ýòè êà÷åñòâà ÿâëÿþòñÿ ïðè÷èíîé, ïî êîòîðîé èññëåäîâàíèÿ ÓÓÊÌ ðàçíûõ òèïîâ è ïîèñê âîçìîæíîñòåé èõ èñïîëüçîâàíèÿ ïðîäîëæàþòñÿ è â íàñòîÿùåå âðåìÿ.
Ãëàâà 4 Îñíîâû ìåõàíèêè êîìïîçèòîâ
4.1
Ââåäåíèå
Ðàçâèòèå ìåõàíèêè êîìïîçèòîâ êàê òåîðåòè÷åñêîé äèñöèïëèíû äî ïîñëåäíåãî âðåìåíè ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿëîñü è ñëåäîâàëî çà ðàçâèòèåì òåõíîëîãèé ïðîèçâîäñòâà êîìïîçèòîâ. Ïîëó÷åíèå êàæäîãî íîâîãî òèïà ÊÌ, êîòîðûé íàõîäèë ïðèìåíåíèå â òåõíèêå, ñîïðîâîæäàëîñü ðåçêèì óâåëè÷åíèåì êîëè÷åñòâà òåîðåòè÷åñêèõ ðàáîò, ïîñâÿùåííûõ ìåòîäàì ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñâîéñòâ íîâîãî ìàòåðèàëà è èçäåëèé èç íåãî.  ñîîòâåòñòâèè ñ òèïîì àðìèðîâàíèÿ, êîìïîçèòû ïðèíÿòî ïîäðàçäåëÿòü íà çåðíèñòûå (ãðàíóëèðîâàííûå)è âîëîêíèñòûå. Ê ïåðâîìó òèïó îòíîñÿòñÿ ìàòåðèàëû, àðìèðîâàííûå ýëåìåíòàìè, âñå ðàçìåðû êîòîðûõ ïðèáëèçèòåëüíî îäèíàêîâû. Ê ýòîìó òèïó ìîæíî îòíåñòè íå òîëüêî àðìèðîâàííûå ìàòåðèàëû, íî òàêæå ïîðèñòûå è ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèå. Ñðåäè âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ â ñâîþ î÷åðåäü âûäåëÿþòñÿ êîìïîçèòû ñ íåïðåðûâíûìè è êîìïîçèòû ñ êîðîòêèìè âîëîêíàìè. Êàæäûé èç äâóõ ïîñëåäíèõ òèïîâ èìååò ðàçíîâèäíîñòè, îïðåäåëÿåìûå ñïîñîáîì óêëàäêè âîëîêîí: ìàòåðèàëû ìîãóò áûòü îäíîíàïðàâëåííûìè, òêàíûìè, õàîòè÷åñêè àðìèðîâàííûìè. Îòäåëüíî ðàññìàòðèâàåòñÿ ñëó÷àé ñëîèñòûõ ìàòåðèàëîâ, êîãäà êîìïîçèò îáðàçîâàí íåñêîëüêèìè ñëîÿìè, êàæäûé èç êîòîðûõ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òîò èëè èíîé òèï âîëîêíèñòîãî ìàòåðèàëà. Ìíîãîîáðàçèå âèäîâ êîìïîçèòîâ è õàðàêòåðà ôèçè÷åñêîãî ïîâåäåíèÿ èç êîìïîíåíòîâ ïðèâîäèò ê íåâîçìîæíîñòè ðàçðàáîòêè åäèíîé òåîðèè ÊÌ. Èçó÷åíèå ìåõàíè÷åñêîãî ïîâåäåíèÿ êîìïîçèòîâ îáû÷íî âûïîëíÿåòñÿ íà îäíîì èç äâóõ óðîâíåé àáñòðàãèðîâàíèÿ ïðè îïèñàíèè ïàðàìåòðîâ ìàòåðèàëà. Îáùåïðèíÿòûìè íàèìåíîâàíèÿìè ñîîòâåòñòâóþùèõ îáëàñòåé èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿþòñÿ è êîìïîçèòîâ. Ñ ïîçèöèé ìàêðîìåõàíèêè êîìïîçèò ïðåäñòàâëÿåòñÿ â âèäå ñïëîøíîé îäíîðîäíîé ñðåäû, ê êîòîðîé ïðèìåíèìû îáû÷íûå ïðåäñòàâëåíèÿ êëàññè÷åñêîé òåîðèè óïðóãîñòè è ñìåæíûõ äèñöèïëèí.  ðàìêàõ æå ìèêðîìåõàíèêè ó÷è-
ìèêðîìåõàíèêà ìàêðîìåõàíèêà
- 93 òûâàåòñÿ íàëè÷èå ó êîìïîçèòà ñòðóêòóðû ìàòåðèàë ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê íåîäíîðîäíûé, ñîäåðæàùèé â ñåáå ðàçëè÷íûå âèäû âêëþ÷åíèé. Ïðè ýòîì îáà ïîäõîäà íå èñêëþ÷àþò äðóã äðóãà, à òåñíî ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé. Äàííîå îáñòîÿòåëüñòâî îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî îñíîâíîé ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ñ òî÷êè çðåíèÿ èíæåíåðíîãî ïðèìåíåíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òàêèå õàðàêòåðèñòèêè êîìïîçèòíîé (ãåòåðîãåííîé) ñðåäû, êàê ïðî÷íîñòü è æåñòêîñòü. Íàèáîëåå ïîêàçàòåëüíûìè â ýòîì îòíîøåíèè ÿâëÿþòñÿ õàðàêòåðèñòèêè ñðåäû.  ÷àñòíîñòè, ïîä ïîíèìàåòñÿ ñðåäíÿÿ ìåðà æåñòêîñòè, ó÷èòûâàþùàÿ ñâîéñòâà âñåõ ôàç ãåòåðîãåííîé ñðåäû è èõ âçàèìîäåéñòâèå. Ïðîöåäóðà îñðåäíåíèÿ, êîòîðàÿ ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ äîëæíà áûòü î÷åíü ñòðîãî îïðåäåëåíà, ïîñêîëüêó îíà ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåò ñóùíîñòü âåëè÷èí, ïðèíèìàåìûõ â êà÷åñòâå ýôôåêòèâíûõ. Èìåííî ýôôåêòèâíûå õàðàêòåðèñòèêè ñðåäû ðàññìàòðèâàþòñÿ ïðè åå îïèñàíèè. Äëÿ íåêîòîðûõ ìîäåëåé ãåòåðîãåííûõ ñðåä óäàåòñÿ íàéòè òî÷íûå àíàëèòè÷åñêèå ðåøåíèÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ , êîòîðûå ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ â êà÷åñòâå õàðàêòåðèñòèê ýôôåêòèâíîé æåñòêîñòè ãåòåðîãåííîé ñðåäû, òîãäà êàê â äðóãèõ ñëó÷àÿõ ìîãóò áûòü óêàçàíû òîëüêî èíòåðâàëû çíà÷åíèé, â êîòîðûõ ìîãóò íàõîäèòüñÿ ýôôåêòèâíûå õàðàêòåðèñòèêè. Ìíîãèå ìîäåëè êîìïîçèòíûõ ñðåä, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ îïðåäåëåíèÿ õàðàêòåðèñòèê, ðàçðàáàòûâàþòñÿ ñ ó÷åòîì ñòðóêòóðíûõ ïàðàìåòðîâ ìàòåðèàëà è ïîýòîìó ÿâëÿþòñÿ ïî ñóòè ìîäåëÿìè.
ýôôåêòèâíûå ýôôåêòèâíîé æåñòêîñòüþ
ìàêðîìåõàíè÷åñêîì äóëåé
ýôôåêòèâíûõ ìî-
ýôôåêòèâíûõ
4.2
ìèêðîìåõàíè÷åñêèìè
Ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîé ãîìîãåííîñòè
Ñëåäóÿ ëîãèêå ïðåäñòàâëåíèé î ñòðîåíèè ìàòåðèè, íà÷èíàòü èññëåäîâàíèå ñâîéñòâ êîíñòðóêöèîííûõ è ôóíêöèîíàëüíûõ ìàòåðèàëîâ ñëåäîâàëî áû ñ àòîìàðíîãî óðîâíÿ. Îäíàêî íà ýòîì óðîâíå ìàòåðèàëû èìåþò âåñüìà íåîäíîðîäíîå ñòðîåíèå è çàäà÷à îïèñàíèÿ èõ ñâîéñòâ ïî ñîâîêóïíîñòè ñâîéñòâ, ñîñòîÿíèé è ýôôåêòîâ âçàèìîäåéñòâèÿ ÂÑÅÕ ñîñòàâëÿþùèõ èõ àòîìîâ ÿâëÿåòñÿ ïðàêòè÷åñêè íåðàçðåøèìîé. Äëÿ ïðåîäîëåíèÿ ýòîé òðóäíîñòè ââîäèòñÿ , ñîãëàñíî êîòîðîé ñîñòîÿíèå è ñòðóêòóðó ìàòåðèàëà ìîæíî çàìåíèòü íåêîòîðûìè èäåàëèçèðîâàííûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè. Èäåàëèçèðîâàííûå ñâîéñòâà ìàòåðèàëà îòðàæàþò óñðåäíåííûå ñâîéñòâà âñåõ âçàèìîäåéñòâóþùèõ àòîìîâ (ìîëåêóë), êîòîðûå åãî ñîñòàâëÿþò, ïðè÷åì òàêèå èõ ñâîéñòâà, êîòîðûå ïðîÿâëÿþòñÿ íå íà óðîâíå îòäåëüíûõ àòîìîâ (ìîëåêóë), à íà óðîâíå âñåé èõ ñîâîêóïíîñòè â öåëîì. Ñàì æå ìàòåðèàë ïîëàãàåòñÿ íåïðåðûâíî ðàñïðåäåëåííûì â ïðîñòðàíñòâå ñïëîøíûì.  òîì ñëó÷àå, êîãäà äîïóñòèìî
íîé ñðåäû)
äåéñòâèòåëüíîå
ãèïîòåçà êîíòèíóóìà (ñïëîø-
- 94 ñ÷èòàòü, ÷òî õàðàêòåðíûå (èäåàëèçèðîâàííûå) ñâîéñòâà ìàòåðèàëà îäèíàêîâû â ðàçíûõ òî÷êàõ çàíèìàåìîãî èì ïðîñòðàíñòâà, ãîâîðÿò, ÷òî ìàòåðèàë ÿâëÿåòñÿ . Äëÿ êîìïîçèòîâ õàðàêòåðíî íàëè÷èå åùå îäíîãî óðîâíÿ íåîäíîðîäíîñòè ñòðîåíèÿ è ñâîéñòâ, ïîìèìî àòîìàðíîãî óðîâíÿ ýëåìåíòîâ àðìèðîâàíèÿ. Íà ýòîì óðîâíå ÷àñòî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî àðìèðóþùèå ýëåìåíòû ÿâëÿþòñÿ ãîìîãåííûìè, íî íàëè÷èå ãðàíèö ìåæäó íèìè ïðèâîäèò ê ñêà÷êîîáðàçíîìó èçìåíåíèþ ñâîéñòâ ïðè ïåðåõîäå ÷åðåç ãðàíèöó ìàòåðèàë ÿâëÿåòñÿ . Äðóãîé ðàçíîâèäíîñòüþ ãåòåðîãåííîé ñðåäû ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àé, êîãäà åå ñâîéñòâà ìåíÿþòñÿ íåïðåðûâíî ïðè ïåðåõîäå îò òî÷êè ê òî÷êå.  ñâÿçè ñ ýòèì íåîáõîäèìî ââåñòè ïîíÿòèå . Äëÿ ëþáîãî ìàòåðèàëà ìîæíî âûäåëèòü íåêîòîðûå õàðàêòåðíûå ðàçìåðû íåîäíîðîäíîñòè åãî ñòðîåíèÿ, íàïðèìåð, ìåæàòîìíîå ðàññòîÿíèå, ðàññòîÿíèå ìåæäó àðìèðóþùèìè ýëåìåíòàìè è äð. Ïðîöåäóðà îïðåäåëåíèÿ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ ïîäðàçóìåâàåò íåîáõîäèìîñòü îñðåäíåíèÿ çíà÷åíèé ïàðàìåòðîâ ñðåäû â íåêîòîðîì îáúåìå. Òàêîå îñðåäíåíèå ìîæåò ñ÷èòàòüñÿ êîððåêòíûì òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè ðàçìåðû îáúåìà, ïî êîòîðîìó ïðîâîäèòñÿ îñðåäíåíèå, ìíîãî áîëüøå õàðàêòåðíîãî ðàçìåðà íåîäíîðîäíîñòè ñðåäû. Åñëè õàðàêòåðíûé ðàçìåð, äîïóñêàþùèé âîçìîæíîñòü îñðåäíåíèÿ, ìíîãî ìåíüøå ðàçìåðîâ òåëà (íàïðèìåð, â ñëó÷àå òðàäèöèîííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ìåòàëëîâ), ìàòåðèàë ìîæíî ñ÷èòàòü . Âûïîëíåíèå óñëîâèÿ ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ïðîöåäóðó îñðåäíåíèÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ýôôåêòèâíûõ (ýêâèâàëåíòíûõ) ñâîéñòâ ñðåäû ïî ñâîéñòâàì åå êîìïîíåíòîâ è èõ ãåîìåòðè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì. Ïîëó÷åííûå ýôôåêòèâíûå ñâîéñòâà ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ ïðè èíæåíåðíûõ ðàñ÷åòàõ èçäåëèé èç êîìïîçèòîâ. Èññëåäîâàíèå ñîîòíîøåíèé ìåæäó ýôôåêòèâíûìè ñâîéñòâàìè è ñâîéñòâàìè êîìïîíåíòîâ êîìïîçèòà ëåæèò â îñíîâå ðåøåíèÿ ìíîãèõ çàäà÷ îïòèìèçàöèè èçäåëèé èç ÊÌ.
ãîìîãåííûì
ãåòåðîãåííûì
õàðàêòåðíîãî ðàçìåðà íåîäíîðîä-
íîñòè
ýôôåêòèâíî ãîìîãåííûì ýôôåêòèâíîé (ýêâèâàëåíòíîé) ãîìîãåííîñòè
4.3
Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ìèêðîìåõàíèêè
Âàæíûì ðåçóëüòàòîì ðåøåíèÿ çàäà÷ ìèêðîìåõàíèêè êîìïîçèòîâ ÿâëÿåòñÿ âû÷èñëåíèå ýôôåêòèâíûõ ìîäóëåé, êîòîðûå îïðåäåëÿþòñÿ êàê êîýôôèöèåíòû, ñâÿçûâàþùèå óñðåäíåííûå ïî îáúåìó çíà÷åíèÿ êîìïîíåíò òåíçîðîâ íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé ïðè îïðåäåëåííûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèÿõ [19]. Ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ ìîãóò áûòü äâóõ òèïîâ: óñëîâèÿ äëÿ ïåðåìåùåíèé íà ãðàíèöå
ui (S) = ε0ij xj
(4.1)
- 95 èëè äëÿ íàïðÿæåíèé íà ãðàíèöå (4.2)
0 Ti (S) = σij nj ,
ãäå ni êîìïîíåíòû åäèíè÷íîãî âåêòîðà âíåøíåé íîðìàëè ê ãðàíè÷íîé ïî0 âåðõíîñòè S , xi äåêàðòîâû êîîðäèíàòû òî÷åê ýòîé ïîâåðõíîñòè, à ε0ij è σij îáðàçóþò ïîñòîÿííûå òåíçîðû. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ýôôåêòèâíûõ õàðàêòåðèñòèê êîìïîçèòà íåîáõîäèìî âûáðàòü V ýëåìåíò îáúåìà ñðåäû òàêîãî ðàçìåðà, â êîòîðîì âñå óñðåäíåííûå ïî íåìó êîìïîíåíòû òåíçîðîâ íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé ðàâíû ñîîòâåòñòâóþùèì âåëè÷èíàì, âû÷èñëåííûì äëÿ êîìïîçèòà â öåëîì. Âåëè÷èíà òàêîãî îáúåìà íåïîñðåäñòâåííî ñâÿçàíà ñ õàðàêòåðíûì ðàçìåðîì íåîäíîðîäíîñòè ñðåäû.  óñëîâèÿõ ïðèëîæåííîãî ê òàêîìó îáúåìó ìàêðîñêîïè÷åñêè îäíîðîäíîãî ïîëÿ íàïðÿæåíèé èëè äåôîðìàöèé îïðåäåëÿþòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì [18]: Z Z σ ¯ij = σij (xi ) dV, ε¯ij = εij (xi ) dV. (4.3)
ïðåäñòàâèòåëüíûé îáúåì ìàòåðèàëà
ñðåäíèå ïî
îáúåìó íàïðÿæåíèÿ è äåôîðìàöèè V
V
Òåíçîð ýôôåêòèâíûõ ìîäóëåé ñðåäû Cijkl îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
σ ¯ij = Cijkl ε¯kl .
(4.4)
Äëÿ ñòðîãîãî âûïîëíåíèÿ ïðîöåäóðû îñðåäíåíèÿ íåîáõîäèìî èìåòü òî÷íûå ðåøåíèÿ äëÿ ïîëåé íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé â êîìïîçèòíîé ñðåäå.  îáùåì ñëó÷àå ýòà çàäà÷à ÿâëÿåòñÿ âåñüìà ñëîæíîé è îáû÷íî åå ðåøåíèå èùåòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì óïðîùàþùèõ äîïóùåíèé î õàðàêòåðå ñòðóêòóðû êîìïîçèòà.  àíàëèòè÷åñêîì âèäå ðåøåíèå òàêîé çàäà÷è ïîëó÷åíî òîëüêî äëÿ ñðàâíèòåëüíî ïðîñòûõ òèïîâ àðìèðîâàííûõ ñðåä (íàïðèìåð, äëÿ áåñêîíå÷íîé óïðóãîé ìàòðèöû, àðìèðîâàííîé îäèíàêîâûìè ïàðàëëåëüíûìè óïðóãèìè âîëîêíàìè, îáðàçóþùèìè äâîÿêî-ïåðèîäè÷åñêóþ ñèñòåìó). 4.4
Ýôôåêòèâíûå ñâîéñòâà âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ
Îñíîâû ìåõàíèêè êîìïîçèòîâ áûëè çàëîæåíû ðàáîòàìè Ôîéãòà (1887 ã.) è Ðåéññà (1929 ã.), â êîòîðûõ ïðåäëàãàëîñü âû÷èñëÿòü ïàðàìåòðû íåîäíîðîäíûõ ñðåä ïóòåì îñðåäíåíèÿ ïàðàìåòðîâ èõ êîìïîíåíòîâ ïî îáúåìó è ïî èõ îðèåíòàöèÿì.  ýòèõ ðàáîòàõ áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ îñðåäíåíèå ïðÿìûõ è îáðàòíûõ òåíçîðîâ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ÷òî ïðèâîäèò ê íåñêîëüêî
- 96 ðàçíûì ðåçóëüòàòàì.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñïîñîá âû÷èñëåíèÿ ïàðàìåòðîâ êîìïîçèòà ïóòåì îñðåäíåíèÿ ïðÿìîãî òåíçîðà ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàçûâàåòñÿ ìåòîäîì Ôîéãòà, îáðàòíîãî òåíçîðà ìåòîäîì Ðåéññà [2]. Äëÿ ìàêðîñêîïè÷åñêè èçîòðîïíîãî êîìïîçèòà, ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé ñìåñü èçîòðîïíûõ êîìïîíåíòîâ ñ ìîäóëÿìè ñäâèãà Gm è Gf îñðåäíåíèå ïî Ôîéãòó äàåò
G∗ = cm Gm + cf Gf , à îñðåäíåíèå ïî Ðåéññó
1/G∗ = cm /Gm + cf /Gf . Ìåòîä Ôîéãòà ñîîòâåòñòâóåò ïðåäïîëîæåíèþ îá îäíîðîäíîñòè ïîëÿ îáîáùåííûõ ïåðåìåùåíèé, ìåòîä Ðåéññà ïðåäïîëîæåíèþ îá îäíîðîäíîñòè ïîëÿ îáîáùåííûõ ñèë. Ïîçäíåå Õèëëîì áûëî ïîêàçàíî, ÷òî äëÿ óïðóãèõ ïîñòîÿííûõ ìåòîä Ôîéãòà äàåò îöåíêó ñâåðõó, à ìåòîä Ðåéññà ñíèçó. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ïîñòîÿííî âåäåòñÿ ðàçðàáîòêà íîâûõ ìåòîäîâ îöåíêè ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòîâ, ðàçëè÷èå ìåæäó ïîëó÷àåìûìè ðåçóëüòàòàìè çà÷àñòóþ ëåæèò â ïðåäåëàõ ñòàòèñòè÷åñêîãî ðàçáðîñà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ. Ïîýòîìó ìåòîä îñðåäíåíèÿ õàðàêòåðèñòèê êîìïîíåíò â ìåõàíèêå êîìïîçèòîâ ïî-ïðåæíåìó ïðèìåíÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ÷àñòî. Õîðîøåå ñîãëàñèå ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè äàííûìè èìåþò ñëåäóþùèå îöåíêè òèïà Ðåéññà è Ôîéãòà äëÿ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ [19]:
E1∗ = cf Ef + cm Em , 1/E2∗ = cf /Ef + cm /Em ,
1/G∗12 = cf /Gf + cm /Gm ,
(4.5)
ãäå èíäåêñû m è f îòíîñÿòñÿ ê ìàòðèöå è âîëîêíàì ñîîòâåòñòâåííî, E1 è E2 ìîäóëè Þíãà âäîëü è ïîïåðåê âîëîêîí ñîîòâåòñòâåííî, G ìîäóëü ñäâèãà, çâåçäî÷êîé (∗) îòìå÷åíû ýôôåêòèâíûå õàðàêòåðèñòèêè. Îäíî èç ïåðâûõ ðåøåíèé äëÿ ýôôåêòèâíûõ õàðàêòåðèñòèê âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ áûëî ïîëó÷åíî Õèëëîì â ïðåäïîëîæåíèè ðàâåíñòâà ìîäóëåé ñäâèãà èçîòðîïíûõ ôàç êîìïîçèòà (Gm = Gf = G):
1/E1∗ = cm /E1m + cf /E1f ,
(4.6)
1/(E2∗ /4 − G) = cm /(E2m /4 − G) + cf /(E2f /4 − G),
(4.7)
1/(K ∗ + G) = cm /(Km + G) + cf /(Kf + G),
(4.8)
∗
1/(1 − ν ) = cm /(1 − νm ) + cf /(1 − νf ). Çäåñü ν êîýôôèöèåíò Ïóàññîíà, K ìîäóëü îáúåìíîãî ñæàòèÿ.
(4.9)
- 97 R
a
Ðèñ. 4.1. Êâàäðàòíàÿ óêëàäêà âîëîêîí ñ êðóãîâûì ñå÷åíèåì  òîì ñëó÷àå, êîãäà èçâåñòíû ôîðìà è ïîðÿäîê ðàçìåùåíèÿ âîëîêîí â êîìïîçèòå (ñòðóêòóðà àðìèðîâàíèÿ), èíîãäà ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû àíàëèòè÷åñêèå ðåøåíèÿ äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèé â êîìïîçèòå.  ÷àñòíîñòè, äëÿ êâàäðàòíîé óêëàäêè âîëîêîí åäèíè÷íîãî ðàäèóñà (ðèñ. 4.1) íàïðÿæåíèÿ íà ãðàíèöå ðàçäåëà ¾âîëîêíî-ìàòðèöà¿ âû÷èñëÿþòñÿ äëÿ òî÷åê ìàòðèöû ïî ñëåäóþùèì ñîîòíîøåíèÿì:
∞ X 1 A = 1 + γ + cos 2θ/A + γ bn a−2n cos 2nθ , 2 n=2 ∞ X 1 −2n = − sin 2θ + Aγ bn a sin 2nθ , 2 n=2
σrr =
(4.10)
σrθ
(4.11) (4.12)
σθθ = A − σrr .
Äëÿ âîëîêîí íàïðÿæåíèÿ σrr è σrθ âû÷èñëÿþòñÿ àíàëîãè÷íî, à σθθ ïî ñîîòíîøåíèþ
σθθ = (1 + γ)A − σrr . Â ïðèâåäåííûõ ôîðìóëàõ
A = (1 + cf γ)−1 ,
γ = (κm − κf )/(1 + κf ),
( 3 − 4ν äëÿ ñëó÷àÿ ïëîñêîé äåôîðìàöèè, κ= (3 − ν)/(1 + ν) äëÿ ïëîñêîãî íàïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ,
(4.13)
- 98 -
a ïàðàìåòð, õàðàêòåðèçóþùèé ðàññòîÿíèå ìåæäó öåíòðàìè âîëîêîí, b2 = 0,590852, b3 = 0 è bn =
n−2 X 3 bm bn−m (2n + 1)(n − 3) m=2
(n > 4).
Ïîçäíåå áûëè ïðåäëîæåíû è äðóãèå ìîäåëè âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ [18]: ìîäåëü êîàêñèàëüíûõ öèëèíäðîâ (öèëèíäðè÷åñêîå âîëîêíî, ñîäåðæàùååñÿ â êîàêñèàëüíîì öèëèíäðå ìàòðèöå); âîëîêíî, ñîäåðæàùååñÿ â öèëèíäðè÷åñêîé ìàòðèöå, êîòîðàÿ â ñâîþ î÷åðåäü íàõîäèòñÿ â íåîãðàíè÷åííîé ñðåäå, îáëàäàþùåé ýôôåêòèâíûìè ñâîéñòâàìè êîìïîçèòà (òðåõôàçíàÿ ìîäåëü); ïîëèäèñïåðñíàÿ ìîäåëü (áåñêîíå÷íî äëèííûå öèëèíäðè÷åñêèå âîëîêíà, çàêëþ÷åííûå â íåïðåðûâíóþ ìàòðèöó) è äðóãèå. Íàëè÷èå áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ìîäåëåé êîìïîçèòîâ â ñî÷åòàíèè ñî çíà÷èòåëüíûì ðàçáðîñîì ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ çàòðóäíÿåò âûáîð òîé èç íèõ, êîòîðàÿ ìîãëà áû ñ÷èòàòüñÿ íàèëó÷øåé. Ïîýòîìó çà÷àñòóþ ïðè îöåíêå ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëà îãðàíè÷èâàþòñÿ ëèøü îïðåäåëåíèåì èíòåðâàëà èõ âîçìîæíûõ çíà÷åíèé. Âàæíóþ ðîëü ïðè ýòîì èãðàþò îöåíêè ñâîéñòâ ñâåðõó è ñíèçó: îöåíêè ÔîéãòàÐåéññà, ëèáî, òàê íàçûâàåìàÿ, ¾âèëêà Õàøèíà Øòðèêìàíà¿. Ïðèìåíèòåëüíî ê âîëîêíèñòûì ìàòåðèàëàì îöåíêè ãðàíèö ýôôåêòèâíûõ ìîäóëåé ïîëó÷åíû Õèëëîì, Õàøèíîì è Ðîçåíîì:
Km +
cm cf > K ∗ > Kf + , 1/(Kf − Km ) + cm /(Km + Gm ) 1/(Km − Kf ) + cf (Kf + Gf ) (4.14) Gm [Gm cm + Gf (1 + cf )] Gf [Gf cf + Gm (1 + cm )] ∗ > G12 > , (4.15) Gm (1 + cf ) + Gf cm cf (1 + cm ) + Gm cf
ãäå K ∗ ìîäóëü îáúåìíîãî ñæàòèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèé äèëàòàöèè â ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé âîëîêíàì. Ãðàíèöû çíà÷åíèé ìîäóëåé îïðåäåëåíû äëÿ ïðîèçâîëüíîé ãåîìåòðèè ñòðóêòóðíûõ ýëåìåíòîâ. Ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî óêàçàííûå îöåíêè ãðàíèö äàþò íåóäîâëåòâîðèòåëüíîå ñîãëàñèå ñ ýêñïåðèìåíòîì äëÿ êîìïîçèòîâ, æåñòêîñòè êîìïîíåíòîâ êîòîðûõ ðàçëè÷àþòñÿ íà ïîðÿäêè (íàïðèìåð, äëÿ áîðîýïîêñèäíûõ è ãðàôèòîýïîêñèäíûõ ìàòåðèàëîâ). Îäíèì èç ñïîñîáîâ áîëåå òî÷íîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è î íàõîæäåíèè ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ êîíêðåòíîãî êîìïîçèòà ÿâëÿåòñÿ ó÷åò õàðàêòåðà ñòðóêòóðû àðìèðîâàíèÿ. Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ äîñòàòî÷íî õîðîøèì ïðèáëèæåíèåì ê äåéñòâèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ äîïóùåíèå î òîì, ÷òî ñòðóêòóðó ìàòåðèàëà ìîæíî ìîäåëèðîâàòü ðåãóëÿðíîé óêëàäêîé èäåíòè÷íûõ âêëþ÷åíèé â íåîãðàíè÷åííóþ ìàòðèöó. Òàêàÿ çàäà÷à ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðàåâóþ çàäà÷ó òåîðèè óïðóãîñòè
- 99 è ìîæåò ðåøàòüñÿ êàê àíàëèòè÷åñêè, òàê è ÷èñëåííî. Ðåçóëüòàòîì ðåøåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé âíóòðè êîìïîçèòà, êîòîðûå ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ íàõîæäåíèÿ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëà. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ðåøåíèå òàêèõ çàäà÷ ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåííûì ñïîñîáîì íàõîæäåíèÿ äåéñòâèòåëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèé â êîìïîçèòå íà ìèêðîóðîâíå [19]. Ïðåäïîëîæåíèå î ðåãóëÿðíîñòè àðìèðîâàíèÿ íå âñåãäà õîðîøî îòðàæàåò îñîáåííîñòè ñòðóêòóðû ìàòåðèàëà. Âîçìîæíûì ñïîñîáîì ïðåîäîëåíèÿ òàêîé ïðîáëåìû ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå ñòàòèñòè÷åñêèõ ïîäõîäîâ ê ðåøåíèþ çàäà÷ ìèêðîìåõàíèêè êîìïîçèòîâ.  îñíîâå ïîäõîäà ëåæèò èññëåäîâàíèå ñðåäû, óäîâëåòâîðÿþùåé çàêîíó Ãóêà σij = Cijkl εkl , ãäå òåíçîð Cijkl ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àéíîé ôóíêöèåé êîîðäèíàò. Çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê ñèñòåìå óðàâíåíèé îòíîñèòåëüíî âàðèàöèé (ôëóêòóàöèé) çíà÷åíèé íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé îòíîñèòåëüíî èõ ñðåäíèõ çíà÷åíèé. Ê ñîæàëåíèþ, ðåøåíèå çàäà÷è â òàêîé ïîñòàíîâêå ÿâëÿåòñÿ âåñüìà ãðîìîçäêèì è ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî â êîíå÷íîé ôîðìå ëèøü â ðåçóëüòàòå ïðèíÿòèÿ äîïîëíèòåëüíûõ óïðîùàþùèõ ïðåäïîëîæåíèé î âèäå ñòàòèñòè÷åñêèõ ðàñïðåäåëåíèé èñêîìûõ âåëè÷èí è äðóãèõ äîïóùåíèé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ îñíîâíûì ñïîñîáîì ðåøåíèÿ çàäà÷è îïðåäåëåíèÿ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòîâ ÿâëÿåòñÿ ÷èñëåííîå ðåøåíèå êðàåâûõ çàäà÷ òåîðèè óïðóãîñòè, â ïîñòàíîâêå êîòîðûõ ó÷èòûâàåòñÿ ñ âîçìîæíî áîëüøåé ïîëíîòîé äåòàëè ñòðóêòóðû ìîäåëèðóåìîãî êîìïîçèòà è õàðàêòåð ôèçè÷åñêîãî ïîâåäåíèÿ åãî êîìïîíåíòîâ. Ïðèìåíÿÿ òîò èëè èíîé ñïîñîá âû÷èñëåíèÿ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòà, ñëåäóåò ó÷èòûâàòü, ÷òî ëþáàÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü âåðíà ëèøü â ðàìêàõ äîïóùåíèé, ñäåëàííûõ ïðè åå ðàçðàáîòêå. Êðîìå òîãî, ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî ôàêòîðîâ, êîòîðûå âëèÿþò íà äîñòîâåðíîñòü ðàñ÷åòíûõ äàííûõ. Ñðåäè òàêèõ ôàêòîðîâ ìîæíî îòìåòèòü îòêëîíåíèå çíà÷åíèé ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îòäåëüíûõ âêëþ÷åíèé îò èõ ñðåäíèõ çíà÷åíèé, íàðóøåíèå ïàðàëëåëüíîñòè âîëîêîí ïðè óêëàäêå, âîçìîæíîñòü ïîâðåæäåíèÿ âîëîêîí â ïðîöåññå èçãîòîâëåíèÿ ìàòåðèàëà, îòñóòñòâèå æåñòêîãî (íåðàçðûâíîãî) êîíòàêòà âêëþ÷åíèé è ìàòðèöû íà âñåé ãðàíèöå èõ ðàçäåëà è äðóãèå.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû
Ââåäåíèå
1. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû. Îñîáåííîñòè ñòðóêòóðû è ñâîéñòâ êîìïîçèòîâ. Âèäû êîìïîçèòîâ. 2. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ êîìïîçèòîâ. Ñðàâíåíèå ñ òðàäèöèîííûìè ìàòåðèàëàìè. 3. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà âëèÿíèÿ ñîñòàâà è ñòðóêòóðû íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîìïîçèòîâ. 4. Îñíîâíûå ïðèíöèïû ñîçäàíèÿ âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ. 5. Ñïîñîáû îáúåäèíåíèÿ ìàòðèöû è àðìèðóþùèõ ýëåìåíòîâ. Òðåáîâàíèÿ ê êîìïîíåíòàì êîìïîçèòà. 6. Ïðèíöèïû ñîçäàíèÿ ôóíêöèîíàëüíûõ ìàòåðèàëîâ. Ãëàâà 1
1. Âèäû ñâÿçóþùèõ. Îáùàÿ ñðàâíèòåëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà. 2. Ñâÿçü ìåæäó ñòðóêòóðîé ìàêðîìîëåêóë è ñâîéñòâàìè ïîëèìåðîâ. 3. Îñíîâíûå âèäû ïîëèìåðíûõ ìàòðèö. 4. Ïîëèìåðíûå ìàòðèöû. Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè. 5. Îñíîâíûå ñïîñîáû èçãîòîâëåíèÿ êîìïîçèòîâ íà îñíîâå ïîëèìåðíûõ ìàòðèö. 6. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ êîìïîçèòîâ íà îñíîâå ïîëèìåðíûõ ìàòðèö.
- 101 7. Îñíîâíûå ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòîâ íà îñíîâå ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö. 8. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà êîìïîçèòîâ íà îñíîâå ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö. 9. Îñíîâíûå òèïû ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòðèö.
Ãëàâà 2
1. Ñïîñîáû àðìèðîâàíèÿ êîìïîçèòîâ. Ïðèíöèïû âûáîðà îïòèìàëüíîãî ñïîñîáà àðìèðîâàíèÿ. 2. Îñíîâíûå òèïû àðìèðóþùèõ âîëîêîí. Îáùàÿ ñðàâíèòåëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà âîëîêîí. 3. Îñíîâíûå òåõíîëîãèè ïåðåðàáîòêè àðìèðóþùèõ âîëîêîí (æãóòû, íèòè, òåêñòèëüíûå ìàòåðèàëû è äð.). 4. Îñíîâû òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà ñòåêëîâîëîêîí. 5. Âèäû ñòåêëîâîëîêîí, ñîñòàâ, ñâîéñòâà. 6. Ïðîäóêòû ïåðåðàáîòêè ñòåêëîâîëîêîí. 7. Ñòåêëîíàïîëíåííûå òåðìîïëàñòû. Ñîñòàâ, ïðîèçâîäñòâî, ïðèìåíåíèå. 8. Áîðíûå âîëîêíà, òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ. 9. Õàðàêòåðíûå ñâîéñòâà áîðíûõ âîëîêîí. Ïðèìåíåíèå áîðíûõ âîëîêîí. 10. Âûñîêîìîäóëüíûå âîëîêíà. Ïåðåðàáîòêà, ñïîñîáû èñïîëüçîâàíèÿ. 11. Óãëåðîäíûå âîëîêíà. Ñûðüå. Îñíîâíûå ñïîñîáû ïîëó÷åíèÿ. 12. Õàðàêòåðíûå ñâîéñòâà óãëåðîäíûõ âîëîêîí è îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ. 13. Ïðîäóêòû ïåðåðàáîòêè óãëåðîäíûõ âîëîêîí. 14. Âîëîêíî êåâëàð. Ñâÿçü ñòðóêòóðû è ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ êåâëàðîâûõ âîëîêîí.
- 102 Ãëàâà 3
1. Îñíîâíûå ïðèíöèïû ñîçäàíèÿ ìíîãîíàïðàâëåííûõ êîìïîçèòîâ. 2. Óãëåðîäíûå ìàòðèöû. Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè. 3. Îñíîâíûå ñïîñîáû ñîçäàíèÿ ìíîãîíàïðàâëåííûõ óãëåðîä-óãëåðîäíûõ ìàòåðèàëîâ. 4. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ êîìïîçèòîâ, àðìèðîâàííûõ óãëåðîäíûìè âîëîêíàìè. Îöåíêà ýôôåêòèâíîñòè ÓÊÌ â ñðàâíåíèè ñ äðóãèìè ìàòåðèàëàìè. 5. Îñíîâíûå ñïîñîáû èñïîëüçîâàíèÿ ïåêîâ ïðè ïðîèçâîäñòâå êîìïîçèòîâ. 6. Îäíîíàïðàâëåííûå, ñëîèñòûå, îáúåìíûå ìàòåðèàëû òåõíîëîãèÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñòðóêòóðû. Ãëàâà 4
1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà âëèÿíèÿ ñîñòàâà è ñòðóêòóðû íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êîìïîçèòîâ. 2. Ïîíÿòèå îá ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâàõ êîìïîçèòîâ. 3. Ïðèíöèï ýôôåêòèâíîé ãîìîãåííîñòè. 4. Ïðåäñòàâèòåëüíûé îáúåì êîìïîçèòà. 5. Èñïîëüçîâàíèå âèëîê ÔîéãòàÐåéññà è ÕàøèíàØòðèêìàíà äëÿ îöåíêè ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòîâ. 6. Îñíîâíûå ìîäåëè âîëîêíèñòûõ êîìïîçèòîâ. 7. Ïîäõîäû ê âû÷èñëåíèþ ýôôåêòèâíûõ ñâîéñòâ êîìïîçèòîâ.
Ñïèñîê òàáëèö
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïîëèýôèðíûõ ñìîë . . . . . . . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ÄÂÊ-ñìîë . . . . . . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýïîêñèäíûõ ñìîë . . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïîëèèìèäíûõ ñìîë . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìåòàëëîâ . . . . . . . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìåòàëëè÷åñêèõ âîëîêîí
20 22 24 26 32 32
2.1 2.2 2.3
Ñâîéñòâà ñòåêëîâîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà êâàðöåâûõ âîëîêîí . . . . . . . Îñíîâíûå ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà âûñîêîïðî÷íûõ âûñîêîìîäóëüíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè àðàìèäíûõ âîëîêîí . . . . . . . .
39 48
2.4
57 74
Ñïèñîê èëëþñòðàöèé
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Ëèíåéíàÿ ìàêðîìîëåêóëà ïîëèìåðà . . . . . . . . . . . . Ðàçâåòâëåííàÿ ìàêðîìîëåêóëà ïîëèìåðà . . . . . . . . . . Ñåò÷àòàÿ ñòðóêòóðà ìàêðîìîëåêóëû ïîëèìåðà . . . . . . Çàâèñèìîñòü äåôîðìàöèè òåðìîïëàñòîâ îò òåìïåðàòóðû Ñîñòàâ ýïîêñèãðóïïû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
11 12 12 14 24
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
Ñõåìà ïîëó÷åíèÿ áîðíûõ âîëîêîí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñòðóêòóðà ìàêðîìîëåêóëû ïîëèàêðèëîíèòðèëà (ÏÀÍ) . . . . . . Âëèÿíèå âûòÿæêè íà ôèáðèëëÿðíóþ ñòðóêòóðó ÏÀÍ-âîëîêíà . . Ñòðóêòóðà ÏÀÍ, ïîäâåðãíóòîãî öèêëèçàöèè . . . . . . . . . . . . Ñòðîåíèå óãëåðîäíîãî âîëîêíà íà îñíîâå ÏÀÍ . . . . . . . . . . . Çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ óïðóãîñòè Ó íà îñíîâå ÏÀÍ ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè . . . . . . . . . . . . . . . . . Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè Ó íà îñíîâå ÏÀÍ ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè . . . . . . . . . . . . . . . Ñõåìà ïîëó÷åíèÿ Ó èç æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèõ ïåêîâ . . . . . . Ñòðóêòóðû âîëîêîí, ïîëó÷åííûõ èç ïåêîâ . . . . . . . . . . . . . . Çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ óïðóãîñòè Ó èç ïåêà ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè Ó èç ïåêà ïðè ðàñòÿæåíèè îò òåìïåðàòóðû òåðìîîáðàáîòêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñîîòíîøåíèå ìåæäó ïðåäåëîì ïðî÷íîñòè è ìîäóëåì óïðóãîñòè Ó íà îñíîâå ÃÒÖ ïðè ðàñòÿæåíèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñòðóêòóðà ìàêðîìîëåêóëû âîëîêíà êåâëàð . . . . . . . . . . . . . Ïðåäåë ïðî÷íîñòè êîìïîçèòà, àðìèðîâàííîãî âîëîêíîì êåâëàð . Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ïðî÷íîñòè êîìïîçèòà íà îñíîâå âîëîêíà êåâëàð . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50 61 61 62 63
2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
64 64 66 67 68 68 71 73 75 75
- 105 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8
Ñõåìà ðàñïîëîæåíèÿ íèòåé â îäíîñëîéíîé òðåõíàïðàâëåííîé (3D) òêàíè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ïÿòèíàïðàâëåííàÿ (5D) ñòðóêòóðà àðìèðîâàíèÿ . . . . . . . . . . Ñõåìà îäèííàäöàòèíàïðàâëåííîé (11D) ñòðóêòóðû àðìèðîâàíèÿ Ñõåìû 3D-àðìèðîâàíèÿ öèëèíäðè÷åñêèõ èçäåëèé . . . . . . . . . Òèïè÷íûé öèêë êàðáîíèçàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Òèïè÷íûé öèêë ãðàôèòèçàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñõåìà îñàæäåíèÿ óãëåðîäà èç ãàçîâîé ôàçû . . . . . . . . . . . . Îáðàçöû èçäåëèé èç ìíîãîíàïðàâëåííûõ êîìïîçèòîâ . . . . . . .
80 81 81 82 86 86 87 91
4.1
Êâàäðàòíàÿ óêëàäêà âîëîêîí ñ êðóãîâûì ñå÷åíèåì . . . . . . . .
97
Ëèòåðàòóðà
1. Áîêèí Ì. Í. Íåìåòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû â ðàêåòîñòðîåíèè. Ó÷åáíîå ïîñîáèå 2. Áîëîòèí Â. Â., Íîâè÷êîâ Þ. Í. Ìåõàíèêà ìíîãîñëîéíûõ êîíñòðóêöèé. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1980. 375 ñ. 3. Âîëîêíà èç ñèíòåòè÷åñêèõ ïîëèìåðîâ / Ïîä ðåä. Ð. Õèëëà. Ì.: Èçä. èíîñòð. ëèò., 1957. 4. Âîëîêíà èç ñèíòåòè÷åñêèõ ïîëèìåðîâ / Ïîä ðåä. À. Á. Ïàêøâåðà. Ì.: Õèìèÿ, 1970. 5. Âîëîêíà ñ îñîáûìè ñâîéñòâàìè / Ïîä ðåä. Ë. À. Âîëüôà. Ì.: Õèìèÿ, 1980. 6. Âîëîêíèñòûå è äèñïåðñíîóïðî÷íåííûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû: Ñá. ñòàòåé. Ì.: Íàóêà, 1976. 7. Âîëîêíèñòûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû / Ïîä ðåä. Ñ. Ç. Áîðøòåéíà. Ì.: Ìèð, 1967. 8. Âîëîêíèñòûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû / Øîðøîðîâ Ì. Ñ. è äð. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1987. 9. Âîëîêíèñòûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå òèòàíà / Â. Í. Àíöèôåðîâ è äð. Ì.: Íàóêà, 1990. 10. Âîëîêíèñòûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû ñ ìåòàëëè÷åñêîé ìàòðèöåé / Ïîä ðåä. Ì. Õ. Øîðøîðîâà. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1981. 11. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû:  8-ìè ò. / Ðåä. Ë. Áðàóòìàí, Ð. Êðîê. Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Ìèð, 1978.
- 107 12. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû: Ñïðàâî÷íèê / Ïîä ðåä. Â. Â. Âàñèëüåâà, Þ. Ì. Òàðíîïîëüñêîãî. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1990. 13. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû: Ñïðàâî÷íèê / Ïîä ðåä. Ä. Ì. Êàðïèíîñà. Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1985. 14. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû â òåõíèêå / Ä. Ì. Êàðïèíîñ è äð. Êèåâ: Òåõíiêà, 1985. 15. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû âîëîêíèñòîãî ñòðîåíèÿ / Ïîä ðåä. È. Í. Ôðàíöåâè÷à è Ä. Ì. Êàðïèíîñà. Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1970. 16. Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå ïîëèóðåòàíîâ / Ïîä ðåä. Äæ. Ì. Áþèñòà. Ì.: Õèìèÿ, 1982. 17. Êîìïîçèöèîííûå ñâåðõïðîâîäÿùèå ìàòåðèàëû âîëîêíèñòîãî ñòðîåíèÿ / Â. À. Áàøèëîâ è äð. Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1986. 18. Êðèñòåíñåí Ð. Ââåäåíèå â ìåõàíèêó êîìïîçèòîâ / Ïåð. ñ àíãë. À. È. Áåéëÿ è Í. Ï. Æìóäÿ ïîä ðåä. Þ. Ì. Òàðíîïîëüñêîãî. Ì.: Ìèð, 1982. 336 ñ. 19. Ìåõàíèêà êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ / Ïîä ðåä. Äæ. Ñåíäåöêè / Ïåð. ñ àíãë. ïîä ðåä. À. À. Èëüþøèíà è Á. Å. Ïîáåäðè. Ì.: Ìèð, 1978. 566 ñ. 20. Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà êîìïîçèòîâ: Ñá. ñòàòåé 19861988 ãã. Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Ìèð, 1989. 358 ñ. 21. Ñïðàâî÷íèê ïî êîìïîçèöèîííûì ìàòåðèàëàì:  2-õ êí. Êí. 1 / Ïîä ðåä. Äæ. Ëþáèíà; Ïåð. ñ àíãë. À. Á. Ãåëëåðà, Ì. Ì. Ãåëüìîíòà; Ïîä ðåä. Á. Ý. Ãåëëåðà. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1988. 448 ñ. 22. Ñòåêëîïëàñòèêè / Ïîä ðåä. Ô. Ìîðãàíà. Ì.: Èçä. èíîñòð. ëèò., 1961. 23. Ñòåêëîòåêñòîëèòû è äðóãèå êîíñòðóêöèîííûå ïëàñòèêè / Ïîä ðåä. ß. Ä. Àâðàñèíà. Ì.: Îáîðîíãèç, 1960. 24. Ñòåêëÿííûå âîëîêíà / Ïîä ðåä. Ì. Ñ. Àñëàíîâîé. Ì.: Õèìèÿ, 1979. 25. Óãëåðîäíûå âîëîêíà / Ïîä ðåä. Ñ. Ñèìàìóðû. Ì.: Ìèð, 1987. 26. Óãëåðîäíûå âîëîêíà è óãëåêîìïîçèòû / Ïîä ðåä. Ý. Ôèòöåðà. Ì.: Ìèð, 1988. 27. Óãëåðîäíûå ìàòåðèàëû: Òåìàò. ñá. íàó÷. òð. Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1989.
