книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов
..pdfРис. 1.44. Зависимость коэффициента линейного термического расширения от температуры для различных ГКМ:
1 — стеклопластик; 2 — стеклоуглепластик; 3 — органоуглепластик; 4 - угле пластик
эта характеристика значительно изменяется с увеличением тем пературы эксплуатации.
Гибридизация оказывает большое влияние на модуль упру гости ГКМ, прочность при сжатии, ударную вязкость, тепловые характеристики. Уровень этих и других свойств определяется относительным содержанием волокон в ГКМ (рис. 1.45).
£•
20
/S
10
5
о
Содержаниеуглеродногодолокна, %(о&) |
Содержаниеуглеродною долокна, %(од.) |
а |
5 |
Рис. 1.45. Зависимость физико-механических свойств ТКМ от содержания волокон:
а —для стеклоуглепластика; б —для различных ГКМ; 1 —стеклоуглепластик; 2 - органоуглепластик (СВМ + УКИ); 3 - органоуглепластик (СВМ + ВМИ)
Классификация гибрццных композиционных материалов
В соответствии с типом распределения компонентов ГКМ обычно подразделяют следующим образом: однородные, харак теризующиеся равномерным распределением каждого армиру ющего компонента по всему объему материала; материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распре деленные по объему материала; композиты с плоскостной не однородностью, когда волокна каждого вида образуют чере дующиеся слои; макронеоднородные композиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характер ным размером изделия.
Однородные полиармированные материалы получают двумя способами: совместной намоткой мононитей двух видов, на пример, углеродных и стекловолокон; использованием ком плексных нитей, в которых равномерно распределены волокна различных видов. При таком взаимном расположении волокон остаточные напряжения КМ сводятся к минимуму и улучша ются условия перераспределения напряжений в процессе на гружения материала, однако технология получения таких КМ сложна, в частности получение первичной нити или жгута из различных волокон не всегда возможно, так как технологичес кие процессы изготовления волокон могут принципиально раз личаться, а собрать готовые разнородные волокна в жгут до статочно трудно.
Для формирования линейно неоднородного полиармированного КМ используют совместную намотку жгутов различ ных типов или жгутов из моноволокон, а также многокомпо нентного наполнителя —тканей, матов или шпона. Последний способ, несомненно, более технологичен, однако и в этом случае возникают затруднения, связанные с текстильной пере работкой хрупких высокомодульных волокон.
Наиболее технологичными являются композиты с плос костной и макронеоднородностью, получаемые выкладкой однородных слоев согласно заданной схеме армирования. К недостаткам таких материалов относится наличие в них тер мических напряжений, возникающих в процессе формования КМ или при изменении температуры его эксплуатации. Эти
напряжения необходимо учитывать при выборе состава, схемы армирования и технологии изготовления деталей.
Следует отметить, что принцип полиармирования помимо возможности регулирования физико-механических свойств композитов позволяет заметно улучшить их технологические свойства. Так, применение СВ в качестве оплеточных в ком плексной нити препятствует вытеканию связующего при фор мировании и способствует уменьшению пористости конечного продукта.
К наиболее изученному типу ГКМ относятся полиармированные. Одновременно с накоплением экспериментальных данных об упругомеханических свойствах КМ предпринима лись попытки теоретически оценить основные характеристики материалов и разработать модели их механического поведения (деформирования и разрушения).
Характеристиками структуры ГКМ обычно считают направ ление и взаимное расположение разнородных армирующих волокон (тип и схема армирования), объемное содержание волокон и относительное содержание одного из армирующих компонентов в другом.
Диаграмма растяжения моноармированных КМ с высоко прочными высокомодульными волокнами практически линей на вплоть до разрушения. Лишь для органопластиков наблю дается заметное отклонение от линейности при напряжениях, составляющих более 0,6 от предельных. Для ГКМ, в которых совмещены волокна с различным предельным удлинением, вид диаграммы зависит от соотношения компонентов. При возрас тании доли низкомодульных волокон на диаграммах появляется излом при деформации, примерно соответствующей предель ной для высокомодульных волокон. Далее на кривых может появиться провал, площадка “псевдотекучести” или последо вать плавное повышение нагрузки с меньшим эффективным модулем упругости, примерно равным модулю упругости КМ с соответствующим содержанием низкомодульных волокон.
На кривых зависимости прочности и предельной деформа ции КМ от относительного содержания низкомодульных воло кон можно выделить два участка: на первом предельное удли нение гибридного КМ примерно равно предельному удлине нию высокомодульных волокон, а прочность ГКМ меньше
8-243
прочности моноармированного КМ с высокомодульными во локнами; на втором участке предельное удлинение КМ резко возрастает до значений, близких к предельному удлинению моноармированного КМ с низкомодульными волокнами, а прочность начинает линейно возрастать, приближаясь к проч ности КМ с низкомодульными волокнами.
ГКМ могут быть более надежными, чем моноармированные. Так, для углестеклопластика с увеличением доли стеклян ных волокон относительная деформация (прогиб) при ударном растяжении или изгибе возрастает в 3,5 раза, в несколько раз увеличивается время до разрушения, максимальная нагрузка сохраняется на прежнем уровне, а при некоторых схемах ар мирования даже возрастает.
Еще одной характеристикой надежности КМ является вяз кость разрушения (трещиностойкость), которая часто опреде ляется коэффициентом интенсивности напряжений, характе ризующим степень возрастания напряжений при приближении к дефектной области в материале, например, к вершине тре щины.
Используя принцип полиармирования, длительную проч ность и ползучесть КМ можно регулировать либо введением более высокомодульного армирующего компонента, либо улуч шением сопротивления ползучести матрицы армированием ее дисперсными частицами. При этом следует помнить, что их содержание должно быть таким, чтобы предельные деформации матрицы, превышающие предельную деформацию волокон, со хранялись на требуемом уровне.
Основным достоинством волокнистых конструкционных КМ является возможность их работы без снижения несущей способности при значительном количестве накопленных под тверждений, другими словами, — повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин. Вопрос о том, как проявляется это свойство в полиармированных КМ, давно привлекает вни мание исследователей. Установлено, что одной из особеннос тей таких КМ является наличие гибридного или синергетичес кого эффекта. Результаты экспериментов подтверждают пред ставления о множественном дроблении высокомодульных во локон в процессе нагружения гибридных КМ.
Возможность варьирования свойств гибридных КМ в до статочно широком интервале путем изменения комбинаций армирующих волокон и их соотношения делает эти материалы весьма перспективными для использования в различных облас тях промышленности. Такие гибридные композиты более де шевы и обладают рядом преимуществ по сравнению с тради ционными КМ. Например, гибридный материал, содержащий 20 % углеродных волокон и 80 % стеклянного волокна, обла дает прочностью, равной 75 % от прочности КМ, армирован ного только углеродными волокнами, а его стоимость состав ляет 30 % от стоимости обычного углепластика.
Ключевые вопросы
1. Какие главные свойства композитов по сравнению с традиционными материалами определяют их применение в сле дующих конструкциях:
а) корпус ракетного двигателя твердого топлива; б) корпус панели солнечной батареи; в) удилище; г) нефтяной трубопровод;
д) горные лыжи; е) тазобедренный протез;
ж) ферменный отсек; з) корпус катамарана;
и) корпус планера самолета?
2.Дайте определение и физический смысл понятий “удель ная прочность” и “удельная жесткость”. Почему эти характе ристики являются наиболее важными при разработке конструк ций из композитов?
3.Укажите основные недостатки КМ. Какие пути исполь зуют конструкторы и технологи для преодоления этих недо статков?
4.В чем заключаются основные различия между углерод ными волокнами, полученными из пека, и ПАН-волокнами?
5.Какие типы матрицы и армирующего наполнителя можно предложить для трубопровода из композита, работающего в криогенной топливной системе самолета и почему?
8* |
115 |
|
6. В чем состоят основные »достоинства термопластичных связующих, используемых в качестве матрицы корпуса топлив ного бака, изготовленного из КМ?
7.По каким критериям выбирают материал для изготовле ния бронежилетов?
8.Приведите примеры использования вакуума в производ стве заготовок и полуфабрикатов ПКМ и металлокомпозитов.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В копилку знаний
Прочитав эту главу, читатель узнает:
•об основных этапах создания конструкций из композитов
ироли технологии в этом процессе;
•сущность технологических процессов изготовления кон струкций из ПКМ;
•преимущества и недостатки каждого технологического процесса и их предельные возможности;
•о способах выбора технологических процессов для изго товления конструкций из ТКМ.
2.1. Понятие о конструкторско-технологическом решении
Расширение класса конструкционных материалов и совер шенствование их свойств является результатом технического прогресса. Материалы, появление которых, как правило, опре деляется необходимостью повышения эффективности разраба тываемых конструкций, в свою очередь, открывают возмож ности для реализации принципиально новых конструкторских решений и технологических процессов. Такая взаимообуслов ленность процессов развития материалов, конструкций и тех нологий отчетливо проявляется в настоящее время в связи с разработкой и применением КМ.
Для эффективной реализации КМ в конструкциях требуется решение комплекса задач, которые связаны с конструировани ем изделия, выбором материалов, определением рациональной структуры материала, соответствующей механическим, тепло вым, химическим и другим воздействиям, с учетом существу ющих технологических ограничений.
Использование композитов предоставляет разработчику возможность широкого выбора исходных компонентов мате риала, структурных схем материалов в конструкции, техноло гических способов формообразования, геометрии и формы конструкции.
В начале 80-х годов был сформулирован основной принцип создания изделий из КМ, согласно которому вопросы выбора материалов, проектирования конструкции и разработки техно логического процесса следует рассматривать как три стороны единой проблемы и не решать их изолированно один от дру гого. Такой подход потребовал на всех этапах создания изделия более тесного взаимодействия подразделений расчетчиков, конструкторов, материаловедов и технологов. Таким образом, в процесс проектирования оказалось втянуто большое число специалистов различного профиля и квалификации, а сам про цесс проектирования превратился в сложную иерархическую систему, работа которой основана на постоянном взаимодей ствии между специалистами различных подразделений.
В таких условиях обеспечить ускорение процесса проекти рования при одновременном улучшении его качества и сниже нии стоимости можно лишь на основе коренной перестройки самого процесса проектирования.
Процесс проектирования, согласно традиционной схеме, содержит этапы конструирования, проектирования и разработ ки технологии, а также взаимную увязку конструкторско-тех нологических решений, направленную в основном на поиск подходящей технологии и в меньшей степени на изменение конструкции.
Отличительной особенностью проектирования конструк ций с применением КМ, как отмечалось выше, является тот факт, что на этапе производства одновременно создаются и сам материал, и конструкция. При этом этапы выбора матери алов, конструирования, проектирования и разработки техноло гии изготовления стали различными аспектами единого про
цесса принятия решений. Отказ от этого принципа приводит, как показывает анализ, к тому, что создание новых конструк ций затягивается, опытные образцы не удовлетворяют требо ваниям, непрерывно в конструкцию и технологию требуется вносить изменения, многие из которых можно было учесть еще на ранних стадиях проектирования, если бы имелась возмож ность просмотреть и оценить все альтернативные варианты изделий. Практически вся последующая деятельность специа листов после принятия проектного решения направлена на анализ новых решений, что приводит к потере времени и удорожанию изделий. Подобная ситуация не является виной конструктора. Это результат принципиального несоответствия традиционных методов проектирования и сложности современ ных конструкций.
Конструирование изделий из КМ начинают с анализа его формы, назначения и действующих на него внешних и внут ренних воздействий. В зависимости от этого выбирают кон структорско-технологическое решение. В общем случае КТР представляет собой совокупность конструкционных элементов проектируемого объекта, изготавливаемого из определенных материалов или собираемого из определенных компонентов (деталей, агрегатов и т.п.) и конкретных технологических про цессов или операций, обеспечивающих реализацию заданных требований, которые предъявляются к данному объекту (рис. 2.1). Например, применительно к конструкциям ракетнокосмической техники выбор КТР для каждого агрегата опре деляется следующими факторами:
формой изделия — тела вращения, тела сложной формы, включая поверхности двойной кривизны, цилиндрические отсеки малого и большого удлинения, балочные конструкции и др.;
видом и характером внешнего воздействия — открытый космос, внутренние объемы обитаемых отсеков, интенсивность общего силового внешнего нагружения, аэродинамический на грев, температурно-влажностный режим окружающей среды;
видом и характером внутреннего воздействия — характер приложения местных сосредоточенных сил и влияние вырезов в силовой оболочке, необходимая степень герметичности, до пустимый уровень газовыделений, температурно-эрозионное
воздействие, требования, предъявляемые к термостатированию, распределению внутренних сил.
Рис. 2.1. Структурная схема конструкторско-технологического решения
Форма изделия в основном определяет схему укладки ар мирующего материала в конструкции и габаритные размеры технологического оборудования, применяемого при изготовле нии изделий (размер оправок, полимеризационных печей, станков для механической обработки и др.).
Специфичность внешнего воздействия проявляется в пер вую очередь для агрегатов, используемых в открытом космосе — это воздействие всей его физической среды, вызванной усло виями полета космического аппарата и действующими при