Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

..pdf
Скачиваний:
86
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
33.27 Mб
Скачать

Рис. 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

Соседние файлы в папке книги