Структурных и механических характеристик пенопластов
СОДЕРЖАНИЕ
| Лабораторная работа № 1. Получение и исследование | |
| структурных и механических характеристик пенопластов …….. | |
| Лабораторная работа № 2. Входной контроль армирующих | |
| материалов КМ ..………………………………………………….. | |
| Лабораторная работа № 3. Технология производства деталей, | |
| узлов и агрегатов из КМ, приготовление полимерных | |
| матричных материалов для ПКМ и определение их | |
| технологических параметров …………………………………… | |
| Лабораторная работа № 4. Изучение зависимости свойств | |
| однонаправленных композиционных материалов от | |
| характеристик компонентов и степени армирования …………... | |
| Лабораторная работа № 5. Клеи и процессы склеивания. Применение клеев для создания неразъемных соединений | |
| элементов конструкций АКТ ……………………………………... | |
| Библиографический список …………………………................. |
Лабораторная работа № 1
Получение и исследование структурных и механических
Характеристик пенопластов
Цель работы
1. Изучить классификацию и способы производства пенопластов.
2. Ознакомиться с составом, свойствами, маркировкой и применением пенопластов на основе различных полимеров.
3. Освоить технологию производства деталей и полуфабрикатов на основе полистирола самовспенивающегося (ПСВ).
4. Изучить влияние режимов вспенивания на плотность, жесткость, механические свойства и структуру пенопласта.
Содержание работы
Пенопласты представляют собой одну из разновидностей газонаполненных пластмасс.
Свойства пенопластов определяются природой и свойствами полимерной фазы, соотношением полимерной и газовой фаз и фазовой структурой материала – формой и размерами ячеек, а также равномерностью их распределения по объему.
Основные свойства пенопластов – низкая кажущаяся плотность (20…820 кгс/м3), высокие тепло-, звуко- и электроизоляционные характеристики, высокие демпфирующие свойства и другие. Это определяет их основные области применения в АКТ, общем машиностроении, радио- и электротехнике, судостроении и других отраслях.
Газонаполненные полимеры наиболее часто применяются в качестве заполнителей элементов силовых конструкций для повышения их жесткости (винты самолетов и вертолетов, агрегаты из КМ и др.); для создания многослойных демпфирующих конструкционных материалов с высокой усталостной прочностью, способных работать при вибрационных нагрузках; для теплоизоляции конструкционных элементов, подвергающихся нагреву; для звукоизоляции силовых установок летательных аппаратов и боксов испытательных станций; для производства составных элементов радио- и электротехнической аппаратуры, обладающих радиопрозрачностью; для создания непотопляемых деталей и элементов плавающих конструкций и для других целей.
По материалу полимерной фазы пенопласты подразделяются на пенотермопласты (на основе термопластичных смол) и пенореактопласты (на основе термореактивных и отверждаемых с помощью отвердителей полимеров).
Плотность полимера, как правило, – величина более или менее постоянная. Плотность поропенопластов, естественно, ниже плотности полимеров, на основе которых они изготовлены. Эта плотность зависит от соотношения полимерной и газовой фаз в поропенопласте и может колебаться в широких пределах. Плотность поропенопластов в отличие от плотности монолитных полимеров называют кажущейся плотностью.
По объемному содержанию полимерной и газовой фаз, которое характеризует кажущуюся плотность, пенопласты подразделяют на “легкие”, кажущаяся плотность которых меньше 500 кг/м3, и “тяжелые” с кажущейся плотностью больше 500 кг/м3 (в этих пенопластах газообразная фаза составляет менее 50% всего объема).
По структуре газонаполненные материалы разделяют на две группы:
- пенопласты – материалы с ячеистой структурой, в которой газ заполняет несообщающиеся между собой ячейки;
- поропласты – материалы, в которых заполненные газом полости сообщаются между собой (например поролоны).
Такое разделение газонаполненных полимеров условно, так как не удается получить материалы только с открытыми или только с закрытыми ячейками.
По соотношению закрытых ячеек и открытых пор пенопласты подразделяют на закрытоячеистые и пористые. По распределению ячеек в объеме выделяют материалы с равномерным распределением ячеек и интегральные пенопласты с резко выраженным градиентом плотности от поверхности к центру.
К пенопластам относят также пластики с полыми наполнителями. В качестве полых наполнителей используют частицы сферической формы диаметром 20…70 мкм (микросферы) или 10…40 мм (макросферы). Полые сферические наполнители могут быть полимерными, стеклянными, керамическими и др. В качестве связующих в пластиках с полым наполнителем используют различные полимеры: эпоксидные и полиэфирные смолы, фенолоформальдегидные и кремнийорганические смолы, поливинилхлорид и др.
По жесткости пенопласты разделяют на эластичные, или мягкие (напряжение сжатия при 50%-ной деформации 
), полужесткие (
) и жесткие (
).
Производство пенопластов и деталей из них
Приготовление композиции заключается в смешивании компонентов. В состав пенопластов могут входить полимеры или олигомеры, отвердители, катализаторы,… Рассмотрим основные способы введения газовой фазы в полимерную среду при… 1. Смешивание композиции, находящейся в вязкотекучем состоянии, с газом при нормальном давлении (механическое…Пенополиуретаны
Пенополиуретаны изготавливают вспениванием композиции газами, выделяющимися в результате реакции между компонентами исходной смеси, или… Отечественной промышленностью выпускаются жесткие пенополиуретаны марок… стью 100…200, 150…250, 50, 30…50 кг/м3 соответственно и эластичные пенополиуретаны ППУ-Э, ППУ-ЭТ, ППУ-ЭМ-1 с кажущейся…Пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол
Для производства пенофенопластов используют фенолоформальдегидные смолы резольного (термореактивные) и новолачного (термопластичные) типа, реже… В качестве вспенивающих агентов применяют газообразователи и легкокипящие… Для повышения прочности при динамических нагрузках и снижения хрупкости исходные фенольные смолы модифицируют…Пенопласты на основе эпоксидных смол
Пеноэпоксиды – газонаполненные материалы на основе эпоксидных смол. Чаще всего это жесткие материалы с замкнутой структурой ячеек. Основой… Для получения сверхлегких пеноэпоксидов с кажущейся плотностью 20…30 кг/м3 в…Порядок выполнения работы
1.1. Провести предварительное вспенивание гранул. Изменяя продолжительность вспенивания, получить гранулы с различной насыпной плотностью. Для этого… Описанную операцию повторить еще два раза, увеличив продолжительность… Предварительно вспененный полистирол необходимо оставить созревать в комнатных условиях не менее 4 часов.Контрольные вопросы
1. Что представляют собой пенопласты, каковы их свойства и применение?
2. Дайте классификацию пенопластов по всем признакам.
3. Дайте характеристику основных способов производства пенопластов и деталей из них.
4. На основе каких полимеров изготавливают пенопласты?
5. Каковы состав, свойства, методы производства, маркировка и применение пенопластов на основе различных полимеров? 6. Какова цель предварительного вспенивания ПСВ? Какие свойства пенополистирола зависят от времени и степени предварительного вспенивания?
7. Что представляет собой условное разрушающее напряжение
пенопласта?
8. Как определяется принадлежность пенопласта к тому или иному классу по кажущейся плотности и жесткости?
Протокол экспериментов
Таблица 1.2 № п/п, tпред. всп Давление по манометру р, кГс/см2 Сила Р, Н (р…Лабораторная работа № 2
Входной контроль армирующих материалов КМ
Цель работы
1. Изучить состав, условия совместимости компонентов и классификацию композиционных материалов.
2. Изучить виды волокон и армирующих материалов, их производство, свойства, маркировку и особенности применения.
3. Изучить содержание входного контроля армирующих материалов и методику определения основных свойств.
4. Определить линейную плотность нити и ленты, поверхностную плотность ткани.
5. Определить диаметр нити и разрывную нагрузку для нее.
6. Определить тип плетения ткани и число нитей в направлении основы и утка на выбранной площадке ткани.
7. Дать оценку невоспламеняемости ткани и ленты.
8. Изучить и выписать в таблицу свойства 3-4 видов тканей.
Содержание работы
Композиционными материалами (КМ) называют материалы, обладающие совокупностью следующих признаков:
1) наличием в материале двух или более компонентов, существенно различающихся своим составом, геометрической формой, свойствами и разграниченных поверхностью раздела;
2) заранее известным или запрограммированным сочетанием компонентов и их распределением;
3) наличием существенного влияния на свойства КМ каждого из его компонентов;
4) наличием свойств, которыми не обладают компоненты КМ, взятые в отдельности;
5) однородностью состава и структуры в макромасштабе. (Последний признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали с покрытиями, сотовые изделия и т.п., являющиеся скорее конструкциями, чем материалами).
Основными компонентами КМ являются матричные и армирующие материалы. Матричные материалы выполняют функцию связующего вещества, они соединяют между собой отдельные армирующие материалы, перераспределяют усилия между ними и фиксируют форму изделия. Армирующие материалы придают КМ необходимые механические свойства.
Армирующие материалы должны обладать высокой прочностью, жесткостью, стабильностью свойств в широком температурном интервале, по возможности, химической стойкостью, малой плотностью и хорошей совместимостью с матричными материалами, в том числе высокой взаимной адгезией.
Армирующие материалы могут использоваться в виде:
а) непрерывных волокон (крученые и некрученые нити, жгуты, ровинги, ровница и др.);
б) коротких волокон в виде порошков, штапельных нитей и др;
в) тканей различного переплетения (полотняного, ситцевого, сатинового, саржевого, трикотажного и др.), лент и др.;
г) нетканых материалов типа матов.
Компоненты КМ должны отвечать следующим условиям взаимной совместимости:
1. Хорошая взаимная адгезия.
2. Отсутствие взаимной растворимости во всем диапазоне температур (при производстве и эксплуатации).
3. Отсутствие химического взаимодействия во всем интервале температур.
4. Примерно одинаковые коэффициенты термического расширения.
5. Жесткость матричного материала должна быть ниже жесткости армирующих материалов.
Положительные свойства композиционных материалов:
1. Высокие показатели конструктивной прочности (удельная прочность и жесткость, износостойкость, коррозионная стойкость, вязкость разрушения, энергия, поглощаемая при распространении трещины, высокая удельная ударная вязкость, повышенная надежность и живучесть при знакопеременных нагрузках).
2. Радиопрозрачность некоторых КМ.
3. Стойкость к агрессивным средам.
4. Немагнитность и высокие диэлектрические свойства некоторых КМ.
5. Рациональное распределение материала в конструкции деталей, узлов и агрегатов, возможность создания равнопрочных во всех сечениях деталей, так как окончательные свойства материала формируются в процессе производства элементов конструкции.
6. Возможность производства крупногабаритных элементов конструкций, уменьшение за счет этого количества механических соединений и снижение веса узлов и агрегатов.
Недостатки композиционных материалов:
1. Низкие физико-механические свойства в неглавных направлениях, особенно низкая межслойная прочность.
2. Низкая твердость и контактная прочность.
3. Склонность к старению (изменение свойств в процессе эксплуатации, как правило, ухудшение).
4. При длительном воздействии значительных нагрузок проявляется ползучесть, текучесть.
5. Трудность переработки и утилизации отходов вышедших из строя деталей, узлов и агрегатов из КМ.
Технологические особенности производства деталей из КМ:
1. В процессе отверждения происходит усадка матричного материала.
2. Возможно выделение вредных веществ.
3. В процессе механической обработки выделяется пыль (особенно вредная борная пыль).
4. Высокая стоимость исходных материалов и полуфабрикатов.
Особенностью производства изделий из КМ является то, что процессы получения материала с заданными свойствами и изготовление из него деталей и узлов с расчетными характеристиками прочности и определенными показателями качества и надежности технологически совмещены. Поэтому важное значение в структуре технологических процессов приобретает входной контроль всех исходных материалов и компонентов на соответствие стандартам, техническим условиям и производственным инструкциям.
Классификация композиционных материалов
Композиционные материалы можно классифицировать по следующим признакам: материалу компонентов, типу арматуры и ее ориентации, способу получения композиций и изделий из них, назначению.
В зависимости от материала матрицы (материаловедческий принцип) КМ подразделяют на следующие группы:
1) композиции с металлической матрицей – металлические композиционные материалы (МКМ);
2) композиции с полимерной матрицей – полимерные композиционные материалы (ПКМ);
3) композиции с керамической матрицей – керамические композиционные материалы (ККМ);
4) композиции с углеродной матрицей – углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ).
Полимерные КМ обычно различают по материалу армирующих волокон. Например, ПКМ, армированные стеклянными волокнами, называют стеклопластиками, металлическими – металлопластиками, органическими – органопластиками, борными – боропластиками, углеродными – углепластиками, асбестовыми – асбопластиками и т.п.
В отношении МКМ нет пока четко установленных правил присвоения названий. Чаще всего в начале названия пишут матричный материал, затем материал армирующий, например, медь-вольфрам.
По ориентации и типу арматуры (конструкционный принцип) все КМ можно разделить на три группы: изотропные, ортотропные и анизотропные.
Изотропными называют материалы, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях (дисперсно-упрочненные и хаотично армированные материалы). Упрочнение осуществляется отрезками волокон или нитевидными кристаллами (усами). При этом КМ получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в объеме всего изделия. Такие КМ с геометрической точки зрения относят к КМ с нуль-мерным армирующим компонентом (все размеры армирующего компонента намного меньше размеров элементарного объема КМ).
Ортотропными называют материалы, имеющие три плоскости симметрии, относительно которых свойства КМ практически одинаковы.
Анизотропными называют материалы, свойства которых зависят от направления.
Армирующие материалы могут быть однонаправленными, в виде сеток, слоистыми, трехмерными или сетчатыми с поперечной прошивкой, поэтому с геометрической точки зрения КМ можно разделить на две группы:
- КМ с одномерным армирующим компонентом, имеющим один размер армирующего материала, соизмеримый с размерами элементарного объема КМ (КМ, армированные волокнами);
- КМ с двумерным армирующим компонентом, два размера которого соизмеримы с размерами элементарного объема КМ (слоистые КМ, КМ, армированные тканями и фольгой).
При наличии в КМ нескольких армирующих компонентов различной размерности или природы их называют полиармированными.
По способу получения (технологический принцип) полимерные КМ можно разделить на литейные, прессованные и намоточные. Металлические КМ по этому способу разделяют на литейные и деформируемые (спекание, горячее прессование, диффузионная сварка, плазменное напыление на волокна или проволоки матричного материала с последующим прессованием или спеканием и т.д.)
По назначению (эксплуатационный принцип) КМ можно разделить на материалы:
1) общеконструкционного назначения (несущие конструкции самолетов, ракет, авиадвигателей, судов и т.д.);
2) жаропрочные (для лопаток турбин, камер сгорания и других изделий);
3) термостойкие (для изделий, эксплуатирующихся в условиях резких теплосмен, например для облицовки каналов МГД-генераторов);
4) фрикционные и антифрикционные;
5) ударопрочные (броня самолетов, танков);
6) теплозащитные;
7) со специальными свойствами (электрическими, магнитными, оптическими и др.).
Требования к волокнам, применяемым в качестве
армирующих материалов в КМ
Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства:
- высокую температуру плавления,
- низкую плотность,
- высокую прочность и жесткость во всем интервале рабочих температур,
- технологичность,
- минимальную растворимость в матрице,
- высокую химическую стойкость,
- отсутствие фазовых превращений в зоне рабочих температур,
- отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации,
- совместимость волокон с материалом матрицы.
Для армирования в основном применяют следующие виды волокон:
- металлические волокна и проволоки,
- неорганические поликристаллические,
- стеклянные,
- органические,
- короткие волокна в виде монокристаллов или минеральных волокон.
Волокнистые армирующие элементы
Волокнистые армирующие элементы – это, как правило, непрерывные волокна в виде крученых и некрученых нитей, жгутов (ровингов), лент, тканей различного переплетения, металлических волокон и проволок, а также короткие волокна в виде порошков (монокристаллы), штапельных тканей, матов и т.д. Форма армирующих элементов зависит от природы волокон (состав и др.), способов их производства и дальнейшей текстильной переработки, а также от технологических процессов производства деталей из композиционных материалов.
Непрерывные волокна
При производстве композиционных материалов с металлической матрицей применяют тонкие проволоки из стали, вольфрама, бериллия, титана, ниобия и… На рис. 2.1 показаны диаграммы растяжения некоторых типов армирующих… Армирующие волокна могут быть ориентированными, иметь неоднородную структуру и обладать анизотропией механических…Стеклянные волокна
Наиболее широко применяется бесщелочное алюмоборосиликатное Е-стекло (в состав его входят оксиды SiO2, Al2O3, B2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O и… Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8…3,0 мм и дальнейшим их…Органические волокна
Механические свойства некоторых органических арамидных волокон приведены в табл. 2.2. Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают уникальным… Таблица 2.2Углеродные волокна
Углеродные волокна подразделяются на карбонизированные (максимальная температура термообработки – 900…2000°С, содержание углерода – 80…90%) и… Углеродные волокна получают методом термохимической переработки органических… a) полиакрилонитрильных волокон (ПАН-волокна);Борные волокна
(Е= 380…420 ГПа), высокую твердость и износостойкость (микротвердость – до 4000 кгс/мм2; твердость по Моосу – 9,3 ед., у алмаза эта твердость равна… Основной метод получения борных волокон – осаждение бора из газовой смеси треххлористого бора (BCl3) и водорода (Н2)…Карбидокремниевые волокна
Волокна на основе карбида кремния (SiC) применяют, как правило, в металлокомпозитах, работающих при высоких температурах.
Карбидокремниевые волокна имеют следующие физико-механические характеристики:
- плотность ρ = 3,3 г/см3 (т/м3);
- средняя прочность при растяжении – 2…4 ГПа;
- модуль упругости при растяжении вдоль волокна Е = 400…500 ГПа;
- модуль сдвига G = 170 ГПа;
- предельная деформация ε = 0,3…0,5%;
- температурный коэффициент линейного расширения α = 3,3×10-6 1/К.
Процесс производства карбидокремниевого волокна аналогичен процессу производства бороволокна. Карбид кремния осаждается на вольфрамовую нить. Температура процесса осаждения – 1100…1200°С.
Металлические волокна и проволоки
Проволочные волокна из сталей Наиболее часто для изготовления тонкой высокопрочной проволоки используют… Свойства некоторых стальных волокон приведены в табл. 2.5.Волокна с металлическими и керамическими покрытиями
Покрытия при этом могут выполнять следующие функции: - защиту поверхности волокна от окисления и активного химического… - защиту от воздействия тепла и высоких температур при изготовлении и эксплуатации деталей из КМ;Коротковолокнистая арматура
перспективными являются нитевидные монокристаллы или усы. Свойства некоторых нитевидных кристаллов приведены в табл. 2.9.Классификация армирующих материалов
Рассмотренные выше волокна и нити применяют в качестве армирующих материалов КМ без обработки или после различных видов обработки: крутки, перемотки, ткацкой переработки и др.
По геометрическому признаку армирующие материалы могут быть в виде:
- нитей – крученые или некрученые пряди волокон;
- жгутов, состоящих из группы скрученных нитей или прядей;
- ровингов – пряди параллельных нескрученных волокон;
- ровницы – системы параллельных плотно уложенных волокон;
- тканей:
- однородные, гибридные, однослойные, многослойные (по составу и геометрии);
- полотняные, саржевые, ситцевые, сатиновые, трикотажные, специальные (по типу переплетения нитей) (рис. 2.4, 2.5);
а
б
в
Рис. 2.4. Внешний вид тканей однослойного переплетения:
а – схема полотняного переплетения;
б – схема саржевого переплетения (2х2);
в – схема сатинового переплетения
- лент:
- однородные – из волокон или нитей одного материала;
- гибридные – из двух и более типов волокон или нитей;
- однонаправленные;
- тканые.
Наиболее простая схема переплетения нитей в ткани – полотняное переплетение, когда каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу пересекающей ее нити. Более сложным является саржевое переплетение, при котором каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу двух пересекающих ее нитей. При этом на поверхности ткани образуется структура диагональных линий.
Отечественной промышленностью выпускается широкий ассортимент стеклотканей, органотканей, углетканей, гибридных тканей однослойного и многослойного переплетения.
К положительным качествам углеродных тканей относятся их высокая термостойкость, жесткость и прочность. Применяют однонаправленные ленты, ровницу и ткани полотняного и сатинового переплетений. Иногда применяют ткани и более сложного переплетения: саржевого и различного типа трикотажного.
Из бороволокна обычно делают боростеклоткани, в которых основа состоит из бороволокна, а уток - из стекловолокна. Соотношение тех и других волокон может колебаться довольно в широких пределах. Например, бороволокна может быть 84, 80, 65%, а стекловолокна - соответственно 16, 20, 35%.
Иногда армирующий материал представляет собой борокарбостеклоткань с различным сочетанием соответствующих компонентов. Так как углеволокно легче бороволокна и стекловолокна, то плотность борокарбостеклотканей может быть существенно ниже плотности бороволокна и стекловолокна.
Например, если борных волокон 27%, углеволокна 68%, стекловолокна 5%, то плотность ткани составляет » 1,56×103 кг/м3 или 1,56 г/см3.
Маркировка и свойства некоторых видов стеклотканей приведена в табл. 2.10.
Таблица 2.10
Маркировка и свойства стеклотканей, наиболее часто применяемых
в качестве армирующих элементов в КМ
| Марка ткани | Тип переплетения | Поверх-ностная плот- ность m, кг/м2 | Тол- щина h, мм | Плотность укладки нитей, текс/мм | Средняя прочность s, ГПа | ||
| по ос- нове | по утку | по ос- нове | по утку | ||||
| Т-10 Т-10-80 | Сатиновое 8/3 | 0,29 0,29 | 0,23 0,25 | 0,47 0,51 | 0,26 0,29 | ||
| Т-11 Т-11-752 Т-11-ВГС-9 Т-12 Т-12-41 Т-12-ВГС-9 | Сатиновое 8/3 или 5/3 | 0,39 0,39 0,39 0,37 0,37 0,37 | 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 | 0,39 0,30 0,27 0,39 0,36 0,27 | 0,23 0,23 0,14 0,23 0,19 0,14 | ||
| Т-13 Т-14 Т-14-78 А-1 А-2 | Полотняное | 0,29 0,31 0,31 0,11 0,07 | 0,27 0,29 0,29 0,10 0,06 | 0,30 0,28 0,29 0,24 0,20 | 0,19 0,23 0,24 0,24 0,17 | ||
| ТСУ 8/Э-ВМ-78 | Сатиновое 8/3 | 0,32 | 0,27 | 0,33 | 0,43 | ||
| ТУ ПР ТС-5Н-78 | Полотняное | 0,29 0,30 | 0,26 0,47 | 0,32 0,13 | 0,22 0,13 | ||
| МТТС-2,1 | Трехмерное | 2,10 | 2,20 | - | - | 0,25 | 0,18 |
Маркировка и свойства некоторых органотканей приведены в табл. 2.11.
Таблица 2.11
Маркировка и свойства тканей на основе органоволокон
| Марка ткани | Тип пере-плетения | Поверх- ностная плот- ность m, кг/м2 | Тол- щина h, мм | Плотность укладки нитей, текс/мм | Средняя прочность s, ГПа | Предель- ная дефор- мация ε, % | |||
| по ос- нове | по ут-ку | по ос- нове | по утку | по ос- нове | по утку | ||||
| СВМ | Полотняное | - 0,11 0,075 | 0,45 0,25-0,3 0,15 | 44,1 26,5 | 0,39 0,24 0,28 | 0,39 0,27 0,35 | - | - | |
| Рогож- ка 2/2 | 0,18 0,11 | 0,35 0,20 | 0,27 0,26 | 0,31 0,26 | |||||
| Сатиновое 8/3 | 0,16 | 0,40 | 0,26 | 0,21 | |||||
| Однона- правленная лента | 0,17 | 0,35 | 25,7 | - | 7,5 | - | |||
| Кевлар-49 (США) | Полотняное | - | 0,45 | - | - | - | - |
Маркировка и свойства некоторых углетканей приведены в табл. 2.12.
Таблица 2.12
Характеристики и марки углеродных тканей
| Марка ткани | Тол-щина, мм | Погонная масса, г/м2 | Прочность, кН/0,05 м | δ, % | ||
| вдоль основы | вдоль утка | вдоль основы | вдольутка | |||
| ВГ | 0,4-0,6 | 320…420 | 0,35…0,6 | 0,2…0,3 | 21…2 | 3…12 |
| ТКК-2, ТКК-5 с покрытием пирокарбидом кремния | - - | 300-410 | 0,5-0,7 0,5-0,7 | 0,1-0,25 0,05-0,1 | - - | - - |
| ТКЦ-2, ТКЦ-5 с покрытием пирокарбидом циркония | - - | 0,5-0,7 0,4-0,5 | 0,1-0,2 0,05-0,1 | - - | - - | |
| ТМП-3, ТМП-4 с пиролитическим покрытием углеродом | 0,6-0,8 0,65-0,85 | 260-310 350-420 | 0,8 0,7 | 0,2 0,2 | 5-20 3-15 | 10-35 3-25 |
| УВМ-4 | 2,3 | 2,0-1,0 | 0,7-1,7 | 4,0 | 3,0 | |
| УТМ-8 | 0,5-0,9 | 300-450 | 0,5 | 0,2 | - | - |
| УУТ-2 | 0,5-0,6 | 310-380 | 0,85-0,75 | 0,4-0,35 | 5-18 | 2-12 |
| УУТ-2/4 | 1,25 | 0,5-0,9 | 0,4-0,6 | 4,0 | 4,0 |
Входной контроль армирующих материалов
Целью входного контроля является не только отбраковка некондиционных материалов, но и установление конкретных значений параметров в пределах допуска…Методика проведения входного контроля
Для всех видов армирующих материалов определяют содержание влаги, разрывную нагрузку и удлинение при разрыве, а для материалов, содержащих… - для нитей и ровингов - линейную плотность, крутку и равновесность по… - для тканей, нетканого полотна, лент – линейные размеры, поверхностную плотность, невоспламеняемость.Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с целью и содержанием лабораторной работы, изучить типы и виды армирующих материалов, их маркировку и свойства.
2. Изучить перечень мероприятий входного контроля и методику определения основных показателей и проверяемых параметров армирующих материалов.
3. Определить линейную плотность нитей, ровингов и ленты и поверхностную плотность тканей (по указанию преподавателя).
4. Определить диаметр нити с помощью микроскопа и разрывную нагрузку для нее с использованием разрывной машины или специальной системы нагружения. Результаты занести в табл. 2.14.
5. Определить тип плетения ткани и количество нитей в направлении основы и утка на выбранной площадке ткани размерами 10х10 мм.
6. Изучить и записать в таблицу тип, марку и основные свойства 3-4 видов тканей и 1-2 видов ленты (по указанию преподавателя). Результаты занести в табл. 2.15, 2.16.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение КМ, характеристику компонентов и назовите условия их совместимости.
2. Как и по каким признакам классифицируют композиционные материалы?
3. Какие свойства КМ зависят в основном от свойств армирующих волокон, какие требования предъявляются к армирующим волокнам?
4. Производство, свойства, маркировка и применение различных видов волокон.
5. Дайте классификацию армирующих материалов.
6. Маркировка, свойства и применение в КМ различных видов тканей.
7. Содержание входного контроля и методика определения показателей и характеристик армирующих материалов.
8. Как определяются влажность и влагосодержание армирующих материалов?
9. Как определяется и в каких единицах выражается линейная плотность нитей, ровингов, ленты и поверхностная плотность тканей?
10. Как подготавливают образцы ткани для определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве?
11. Как определяются диаметр и разрывная нагрузка нитей, толщина ленты или ткани?
12. Какие виды плетения тканей вы знаете? Как определяется плотность тканей вдоль основы и вдоль утка?
13. Как определяется невоспламеняемость армирующих материалов?
Протокол экспериментов
Результаты контроля и испытания нитей (ровингов) № п/п Вид армирующего материала (нитей) …Лабораторная работа № 3
Технология производства деталей, узлов и агрегатов из КМ,
Приготовление полимерных матричных материалов
Для ПКМ и определение их технологических параметров
Цель работы
1. Ознакомиться с особенностями проектирования и производства деталей из КМ, изучить основные этапы технологии производства деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ).
2. Изучить состав и основные свойства наиболее часто применяемых в ПКМ матричных материалов.
3. Ознакомиться с методикой определения количества связующего и выполнить расчет необходимого количества связующего для пропитки заданного количества армирующего материала определенного типа.
4. Ознакомиться с технологией приготовления матричных материалов (связующих) и методикой определения их основных технологических параметров.
5. Определить концентрацию связующего и необходимое количество растворителя для получения определенного количества матричного материала требуемой концентрации (50%-ного раствора).
6. Определить вязкость и поверхностное натяжение связующего, ознакомиться с методикой определения смачиваемости жидкостями поверхности твердого тела (матрица - армирующий материал).
Содержание работы
Технология производства деталей, узлов и агрегатов из ПКМ
включает в себя следующие основные операции (этапы):
1. Подготовка арматуры и ее входной контроль.
2. Приготовление связующего или матричного материала и контроль его технологических параметров.
3. Пропитка (совмещение исходных компонентов КМ).
4. Формообразование деталей, узлов и агрегатов.
5. Отверждение матричного материала.
6. Извлечение готовых деталей из формы, удаление оправки, снятие с оправки.
7. Контроль качества изделий
8. Механическая доработка и сборка.
Рассмотрим содержание перечисленных этапов технологии производства деталей.
1. Подготовка арматуры.
а) Входной контроль армирующих материалов (включает в себя
проверку на соответствие техническим требованиям по механическим свойствам, размерам, номеру нити, плотности ткани или ленты, содержанию влаги, летучих веществ и т.д.).
б) Стеклянные и некоторые другие волокна часто поступают покрытые замасливателем. Операция удаления замасливателя с поверхности волокон называется расшлихтовкой. Для расшлихтовки арматуру пропускают через бензин, водный раствор олеиновой кислоты (2%) и триэтаноламина (1%) или другие растворители. Удалить замасливатель можно и прокаливанием арматуры при 200…450ºС. Можно смывать замасливатель в воде с применением ультразвука. Для ускорения расшлихтовки эти методы иногда комбинируют (сочетают).
После расшлихтовки некоторые виды волокон усиленно адсорбируют влагу, что ухудшает адгезию к ним матричного материала и снижает эксплуатационные характеристики ПКМ в целом. Для предотвращения этого явления проводится аппретирование.
в) Аппретирование – нанесение на поверхность армирующего материала гидрофобных (водоотталкивающих) покрытий, которые повышают адгезию (прочность связей со связующим) и снижают водопоглощение ПКМ. Для стеклянных волокон в качестве аппретов применяют аминосилан (меламино-формальдегидная, кремнийорганическая смолы), эмульсию этилгидросилоксановой жидкости, воланы (некоторые органические соединения хрома и кремнийорганических соединений). Покрытия кроме повышения адгезии защищают волокна от атмосферных и механических воздействий. Закрепляют аппреты нагревом волокон до 80…150°С в течение 20-60 мин.
г) Снование – это операция перемотки одной или нескольких нитей, жгутов, лент или тканей на одну паковку с плотной параллельной укладкой. Операцию эту проводят в том случае, когда волокна поступают на бобинах и непригодны в таком виде для намотки или пропитки.
При сновании часто получают ровницу – однонаправленную полосу, где нити плотно прилегают друг к другу по всей длине. Снование часто совмещают с пропиткой.
2. Приготовление связующего.
Перед употреблением компоненты связующего должны пройти контроль.
Определяют их концентрацию, вязкость, поверхностное натяжение, угол смачивания и другие характеристики.
Приготовление связующего заключается в расчете необходимого количества компонентов для приготовления заданного веса связующего. В состав связующего входят, как правило, одна или несколько смол (полимеров), отвердители, катализаторы, иногда пластификаторы и пигменты.
Смесь всех компонентов, входящих в состав связующего, называется компаундом. Обычно применяют 50%-ные растворы связующего в растворителях. Поэтому приготовление связующего предусматривает растворение всех составляющих компаунда в растворителе. (Обычно сначала в растворителе растворяют смолу, а затем уже в этот раствор добавляют и растворяют
все остальные компоненты).
Важной характеристикой связующего является его вязкость. Она обязательно контролируется вискозиметром ВЗ-4 (в секундах), маятниковым вискозиметром, методом падающего шарика или косвенно по плотности связующего, которую определяют ареометром.
3. Пропитка (совмещение компонентов КМ).
Пропитка – операция совмещения арматуры с матричным материалом путем нанесения компаунда на поверхность арматуры и заполнения им объема между волокнами.
В настоящее время изделия из ПКМ получают двумя способами: «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе волокна пропитываются жидким связующим непосредственно перед намоткой, выкладкой или прессованием, т.е. пропитка технологически совмещена с формованием изделия.
Способы пропитки, применяемые при «мокром» способе:
а) протягивание арматуры через жидкое связующее;
б) пропитка купающимся роликом;
в) принудительная пропитка (связующее насосом прокачивается через арматуру);
г) протягивание армирующего материала через ванну со связующим с применением отжимных роликов для регулирования содержания связующего и удаления пузырьков воздуха.
Недостатки «мокрого» способа:
1) смола должна быть жидкой;
2) применение растворителей приводит к пористости деталей;
3) плохие санитарные условия на участке пропитки;
4) низкая производительность – мала скорость пропитки нитей;
5) прогрев смолы уменьшает её жизнеспособность;
6) трудно отрегулировать концентрацию компонентов в изделии;
7) трудно выполнять намотку на наклонные и сферические поверхности.
При «сухом» способе пропитка выделена в самостоятельную операцию, в результате которой из арматуры и связующего получают препреги. Препреги – это нити, жгуты, ленты и ткани, которые после пропитки подсушены и частично отверждены. Для предотвращения слипания между слоями прокладывают фторопластовую или лавсановую пленку. Пропитка, просушка и частичное отверждение матричного материала выполняются на специализированных заводах, что позволяет расширить диапазон применяемых связующих. В частично отвержденном состоянии препреги могут находиться от нескольких дней до нескольких месяцев, в зависимости от температуры окружающей среды. Сухая намотка – более прогрессивный способ, нежели мокрая. Она позволяет получать детали сложной формы, особенно при намотке, так как липкая лента или ровинги не соскальзывают с наклонных поверхностей. При намотке можно применять большие усилия натяжения материалов препрегов и таким образом получать более плотные изделия с меньшим количеством пор. Усадка частично отвержденных матричных материалов в изделиях из КМ меньше, чем при «мокром» методе.
Основной недостаток «сухого» метода – повышенная стоимость (в 2-3 раза) полуфабрикатов в виде препрегов.
4.Формообразование деталей (прессование, намотка, выкладка, пултрузия и др.). Цель данной операции – получение изделия заданной формы и размеров. Формование можно осуществлять на прессах с использованием матриц и пуансонов, контактным, вакуумным и другими методами.
Прессованием обычно получают листовые материалы, листовые материалы с элементами жесткости (ребрами и др.), лопасти вентиляторов и самолетных винтов, лопатки компрессоров и др.
Выкладка представляет собой процесс нанесениея на шаблоны разделительного слоя и последующего нанесения слоев армирующего материала, пропитанного связующим (чаще всего тканей, ленты или ровницы) с последовательной укаткой роликом каждого слоя.
Вакуумное формование заключается в том, что пакет из пропитанной связующим ткани или ленты помещается под слой резины, прижатой по периметру к форме. Из-под резины откачивается воздух, атмосферное давление обеспечивает очень равномерное усилие формования.
Одним из самых распространенных методов производства осесимметричных деталей из ПКМ является метод намотки (трубы, осесимметричные детали переменного сечения, баллоны высокого давления и др.). Применяют различные схемы намотки: токарную, окружную, по обмоточной схеме, спиральную и продольную.
5. Отверждение матричного материала. В процессе отверждения создается конечная форма, структура и свойства деталей, узлов и агрегатов из ПКМ. Основными технологическими параметрами процесса отверждения являются температура, давление, время и степень отверждения. Отверждение проводят при комнатной температуре (холодное отверждение) или при повышенных температурах (горячее отверждение). Горячее отверждение ответственных узлов и агрегатов проводят в специальных термокамерах, обеспечивающих очень точное регулирование температуры и равномерное поле температур во всем объеме камеры. После завершения процесса отверждения детали охлаждаются (если проводилось горячее отверждение) плавно с малой скоростью охлаждения, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений в готовых деталях.
Внутренние напряжения в деталях, узлах и агрегатах из ПКМ можно разделить в основном на три вида: структурные, усадочные и термические.
Структурные напряжения вызываются технологическим натяжением арматуры в процессе намотки. До снятия с оправки структурные напряжения действуют только в армирующем материале, а в матричном материале их нет. Но после того как намотанное и отвержденное изделие снято с оправки, армирующий материал, находившийся в растянутом состоянии, частично разгружается, сжимая связующее.
Перераспределение структурных напряжений протекает во времени, что связано с ползучестью связующего и релаксацией напряжений. Этот процесс может длиться довольно долго, что может приводить к изменению размеров и геометрии деталей или короблению. Для предотвращения этого явления детали, узлы и агрегаты подвергают чаще всего термообработке по определенной технологии.
Усадочные напряжения возникают в матричном и армирующем материалах вследствие усадки связующего при его отверждении. Величина усадки может быть от 2 до 15%. Так как между компонентами ПКМ существует адгезионная связь, то в связующем возникают растягивающие, а в армирующем материале – сжимающие напряжения, которые часто компенсируют структурные напряжения.
Термические напряжения возникают в деталях из ПКМ из-за различия коэффициентов линейного термического расширения при их нагреве или охлаждении, а также при охлаждении в процессах горячего отверждения связующего.
В реальных ПКМ все рассмотренные напряжения суммируются и со временем релаксируют. Чтобы способствовать более полной релаксации напряжений и предотвратить коробление, растрескивание и появление других дефектов, нагрев и охлаждение изделий, узлов и агрегатов из ПКМ рекомендуется проводить плавно и с малой скоростью.
6. Извлечение деталей, узлов и агрегатов из формы или удаление из них оправки.
Качество и точность деталей из ПКМ существенно зависят от применяемой оснастки, в частности от вида и качества оправки. Оправки могут быть цельными или разборными, разрушаемыми и др. К оправкам предъявляются следующие требования:
- высокая прочность и жесткость;
- высокая чистота поверхностей и точность размеров;
- стойкость к воздействию повышенных температур, необходимых для отверждения связующего;
- возможность извлечения оправки после отверждения связующего.
7. Контроль качества изделий.
1. Текущий (технологический) контроль:
a) входной контроль армирующих материалов;
б) входной контроль составляющих матричных материалов и процесса приготовления матрицы (как правило, 50%-ного раствора);
в) контроль правильности проведения всех технологических операций.
2. Окончательный контроль готовых деталей:
- контроль содержания связующего и арматуры;
- ультразвуковой контроль сплошности, отсутствия расслоений;
- рентгеновский контроль;
- контроль механических свойств деталей (выборочно);
- контроль окончательных свойств деталей и узлов (баллоны нагружают давлением жидкости до разрушения и т.д.).
Классификация дефектов готовых деталей и узлов:
1. Отклонение содержания связующего.
2. Нарушение сплошности (расслоение, пористость, газовые раковины и др.).
3. Отклонения в структуре армирования.
4. Пережеги (не соблюдался режим горячего отверждения).
5. Коробление.
6. Складки на поверхности и в толще материала.
Причины коробления:
1. Из-за несимметричности укладки слоев.
2. Из-за геометрии формуемого изделия.
3. Из-за деформирования оснастки.
4. Из-за неравномерного нагрева и охлаждения.
Особенности механической обработки деталей из ПКМ определяются следующими факторами:
- анизотропией свойств КМ;
- сложностью получения поверхностей высокой чистоты и точности;
- высокой твердостью и абразивной стойкостью армирующих материалов;
- низкой теплопроводностью КМ (нагреваются резцы);
- гигроскопичностью материала в зоне резания (нельзя применять смазочно-охлаждающие жидкости при резании);
- высокими упругими свойствами КМ, обуславливающими наличие слоя сжатия обрабатываемого материала, находящегося ниже линии среза. Это требует применения жесткой оснастки при механической доработке деталей.
Требования к станочному оборудованию и режущему инструменту:
1. Мощность может быть существенно (~ в 5 раз) уменьшена,
число оборотов шпинделя (скорость резания) увеличено ≈в 10 раз;
подача уменьшена ~ в 5 раз.
2. Так как усилие резания КМ гораздо меньше, чем у металлов, целесообразно применять механизированные устройства и приспособления с пневмо- и электроприводом.
3. Применять надо очень твердый режущий инструмент с высокой удельной ударной вязкостью (быстрорежущие стали, сплавы на керамической основе с большим содержанием связки - кобальта).
Полимерные связующие и матрицы на их основе
К связующим и матрицам в КМ предъявляют ряд требований как в процессе изготовления материала, так и в процессе эксплуатации деталей и изделий из композита.
На этапе изготовления к матричным материалам предъявляются следующие требования:
a) хорошая смачивающая способность и адгезия к армирующему материалу;
б) низкая усадка при отверждении;
в) низкая вязкость связующего при высокой жизнеспособности;
г) высокая скорость отверждения.
На этапе эксплуатации матричные материалы должны отвечать следующим требованиям:
a) высокие физико-механические характеристики матрицы, во многом определяющие свойства композита;
б) высокая термостойкость матрицы;
в) стойкость к агрессивным средам, атмосферному воздействию, климатическим и биологическим факторам и др.
Кроме смол в состав связующих входят отвердители, пластификаторы (при необходимости), растворители и другие компоненты.
Полимерные связующие на основе полиэфирных смол
Полиэфиры также широко применяются как ненаполненные полимеры для изготовления различных электроизоляционных деталей электротехнического и… Полиэфиры выпускаются отечественной промышленностью в виде 50…70%-ных растворов полиалкиленгликольмалеинатов (ПМ) и полиалкиленгликольфумаратов (ПФ) в различных мономерах и…Полимерные связующие на основе эпоксидных смол
Эпоксидные смолы – олигомеры, содержащие в молекулах эпоксидные или глицидиловые группы и способные превращаться в полимеры пространственного… Существует большое разнообразие эпоксидных смол. Наиболее распространены так… Диановые эпоксидные смолы – вязкие жидкости или твердые хрупкие вещества от светло-желтого до коричневого цвета;…Состав и свойства отвержденных полимерных связующих
Марка связующего Смола или состав связующего и вид отвердителя Прочность, МПа Ударная вязкость, … Теплостойкость по Мартенсу большинства отвержденных матричных материалов - в пределах 50…100°С. Особо высокой теплостойкостьюПолимерные связующие на основе фенолоформальдегидных смол
Вследствие значительной хрупкости, относительно низкой адгезии к некоторым армирующим материалам фенолоформальдегидные смолы в чистом виде в ПКМ… Типы и марки применяемых фенолоформальдегидных связующих: а) на основе бакелитового лака (Р-2М - смола общего назначения, модифицированная поливинилбутиралем и анилином; Р-2Ц -…Связующие на основе кремнийорганических смол
Адгезия кремнийорганических связующих к волокнам составляет 14,6…18,6 МПа. Однако их когезионная прочность относительно невелика, поэтому… В производстве ПКМ используют смолы марок К-9, К-31, полиметилсилоксановые лаки КО-554, КО-812 и др. Смола К-9 имеет…Матричные материалы на основе термопластичных смол
Физико-механические свойства некоторых термопластичных матриц приведены в табл. 3.3. Сравнительно недавно были разработаны связующие нового типа, получившие… Основные химические и технологические особенности роливсанов состоят в том, что введение термостойких структур в…Определение количества компонентов связующего
Для пропитки арматуры чаще всего применяют 50%-ные растворы полимеров в растворителях. Состав наиболее часто применяемых матричных
материалов, используемых в производстве КМ для АКТ приведен в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Состав 50%-ного раствора связующего
Содержание армирующего материала в КМ не может превышать определенной… Отношение объема волокон (арматуры) к объему КМ, выраженное в процентах, называется степенью армирования. Степень…Приготовление связующих
Связующие готовят партиями. За партию принимают количество связующего, изготовленного при одной загрузке реактора. Кроме основного компонента – смолы, в связующее в зависимости от его… Перед смешиванием компонентов связующих необходимо подготовить некоторые из них. Анилинофенолформальдегидную смолу…Контроль и определение технологических параметров
Связующего
Концентрацию раствора связующего определяют по результатам измерений плотности и температуры. Плотность определяют ареометром с точностью до 0,001… Для определения плотности раствор связующего наливают в мерный цилиндр и… Зная плотность связующего, можно определить его концентрацию по табл. 3.6, а для связующего 5-211Б – по номограмме…Плотность и концентрация 50%-ного раствора связующего
Исходные концентрации двух смешиваемых растворов (для растворителя… Пример. Имеется 60%-ный раствор А и 48%-ный раствор Б. Требуется изготовить n кг 50%-ного раствора С для пропитки.Рис. 3.2. Прибор для определения
Массы капли
Прибор состоит из штатива 1, на котором с помощью держателя 2 закреплена изогнутая стеклянная трубка 3, свободная для проникновения раствора с одной… С помощью груши осуществляют заправку сталагмометра исследуемым раствором… , (3.9)Порядок выполнения работы
1. Изучить и законспектировать содержание работы. 2. Определить необходимое количество связующего и его компонентов (табл. 3.4,… Пример формулировки задания:Протокол экспериментов
Задание:1. Определить количество связующего типа ________________и его компонентов, необходимое для пропитки _______кг армирующего материала ________________________________________
(тип и марка)
Результаты занести в табл. 3.7.
Таблица 3.7
Результаты расчета
| Вид и вес армирующего материала, кг | Масса связующего, кг | Наименование и количество компонентов | |||||||
| Массовая доля | Масса, кг | Массовая доля | Масса, кг | Массовая доля | Масса, кг | Массовая доля | Масса, кг | ||
Для приготовления 50%-ного раствора расчетную массу связующего необходимо растворить в _____кг растворителя следующего состава: __________
Общее количество 50%-ного раствора равно ______кг.
Имеется раствор связующего типа 5-211-Б. Экспериментально определить концентрацию раствора, его вязкость и поверхностное натяжение. Результаты занести в табл. 3.8.
а) Определение концентрации раствора связующего типа 5-211Б.
Исходные данные: ___________________________________________________
Расчет: _____________________________________________________________
_________________________________________________________________
б) Определение вязкости раствора связующего типа 5-211Б.
Исходные и экспериментальные данные: ________________________________
_________________________________________________________________
Расчет: _____________________________________________________________
_________________________________________________________________
в) Определение поверхностного натяжения раствора связующего типа
5-211Б.
Исходные и экспериментальные данные: ________________________________
__________________________________________________________________
Расчет: _____________________________________________________________
__________________________________________________________________
Таблица 3.8
Результаты эксперимента
| Технологические параметры связующего | |||
| Плотность, кг/м3 | Концентрация, % | Вязкость, Па×с | Поверхностное натяжение, Н/м |
3. Расчет необходимого количества связующего типа 5-211Б заданной концентрации и растворителя для приготовления _______ кг 50%-ного раствора по правилу «креста».
Расчет: _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
Лабораторная работа № 4
Изучение зависимости свойств однонаправленных
Композиционных материалов от характеристик компонентов
И степени армирования
Цель работы
1. Ознакомиться с особенностями производства деталей, узлов и агрегатов из КМ.
2. Освоить методику расчета характеристик прочности и жесткости однонаправленных КМ с непрерывными волокнами в направлении армирования по известным характеристикам матричного и армирующего материалов.
3. Научиться рассчитывать критическую и оптимальную объемные доли волокон в КМ в зависимости от свойств арматуры и материала матрицы.
4. Изучить структуру КМ.
Содержание работы
Особенности производства деталей, узлов и агрегатов из КМ
Многообразие армирующих и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяют направленно регулировать… Производство и применение деталей из КМ позволяют использовать новые принципы… Отсюда вытекает особая значимость этапа расчета и проектирования деталей, узлов и элементов конструкций из КМ.Рис. 4.1. Серебро, армированное усами сапфира
С металлическим покрытием
Требования к матричным материалам: - высокая адгезия к армирующим материалам;Определение прочности однонаправленных КМ
Исходными данными для расчета являются (рис. 4.3): 1) диаграмма истинных напряжений s = f(e) волокна (1); 2) диаграмма истинных напряжений матрицы (2).Порядок выполнения работы
2. Получить задание для расчета двух видов однонаправленных КМ (см. приложение). 3. Выписать название, марку и основные характеристики прочности и жесткости… 4. Рассчитать Vкр для каждой пары по формуле (4.11). (Предел прочности КМ при Vкр равен пределу прочности матрицы). …Контрольные вопросы
1. Каковы особенности производства деталей, узлов и агрегатов ЛА из КМ?
2. Какие требования предъявляются к матричным и армирующим материалам?
3. Как определяется предел прочности однонаправленных КМ в направлении армирования и поперечном направлении?
4. Как определяется модуль упругости КМ в направлении армирования и поперечном направлении?
5. Что представляют собой степень армирования, критическая и максимальная степени армирования?
Приложение
 |
Рис. П.4.1. Матричные материалы на основе эпоксидных смол: 1 – ЭД-20 + 10% бутилглицидилового эфира + отвердитель ТЭТА (триэтилентетрамин);
 |
2 – эпоксидная матрица УП-2171 (для стеклопластика)
Рис. П.4.2. Матричные материалы на основе эпоксидных смол:
1 – ЭД-20 + оксиэтилированный полиамин (отвердитель);
2 – эпоксидная матрица УП-2159 (для стеклопластиков)
 |
Рис. П.4.3. Стекловолокно и углеволокно: 1 – стекловолокно марки Е,
 |
sв=2200 МПа; 2 – углеволокно высшего сорта, sв=3500 МПа
Рис. П.4.4. Бороволокно и карбидокремниевое волокно: 1 – бороволокно,
sв=3500 МПа; 2 – карбидокремниевое волокно, sв=2500 МПа
Лабораторная работа № 5
Клеи и процессы склеивания.
Применение клеев для создания неразъемных
Соединений элементов конструкций АКТ
Цель работы
1. Ознакомиться с преимуществами и недостатками клеевых соединений, классификаций клеев и теориями адгезии.
2. Изучить общие правила выбора клеев, их состава, конструкции клеевых соединений и этапы технологии склеивания.
3. Изучить влияние пластификаторов, наполнителей, растворителей и других факторов на свойства клеев и клеевых соединений.
4. Изучить основные виды промышленных клеев и особенности технологии склеивания деталей такими клеями.
5. Изучить состав и технологию склеивания различных материалов универсальными клеями БФ-2, эпоксидным и специальными клеями-растворителями.
6. Склеить в различных сочетаниях образцы из текстолита, дуралюмина, оргстекла и др.
7. Провести испытания склеенных образцов на сдвиг, определить предел прочности на сдвиг, сделать необходимые выводы.
Содержание работы
Человек применяет клеи свыше 3000 лет. В древности клеи изготавливали из костей животных, сока растений, рыбьей чешуи, яичного белка, из битума и дёгтя, воска, творога и крахмала и других веществ. Некоторые из этих клеев применяют и сейчас, например, творожный (казеин), столярный и др.
Но природные клеи, как правило, недостаточно влаго- и атмосферостойки, некоторые из них подвержены гниению и другим разрушающим факторам.
Развитие промышленности (производство фанеры, мебели, деревообрабатывающая промышленность, общее машиностроение, производство летательных аппаратов и др.) потребовало интенсивного изыскания новых синтетических клеев, отвечающих самым разнообразным требованиям.
Особенно большое значение имеет применение клеевых соединений в производстве авиационной и ракетно-космической техники. Например, крыло самолета площадью около 140 м2 клееной конструкции на 200 кг (почти на 5%) легче аналогичного крыла клепаной конструкции.
В вертолётостроении с применением клеевых соединений изготавливают металлические и стеклопластиковые лопасти несущих винтов с
большим ресурсом работы, склеивают силовой набор с обшивкой.
Путем склеивания можно изготавливать выгодные по весовой прочности трехслойные конструкции с сотовыми или пенопластовыми заполнителями.
Соединения теплозащитных материалов с поверхностью обшивки на
космических аппаратах многоразового использования могут быть выполнены только путем склеивания.
Практически все соединения материалов с сильно отличающимися свойствами (прочность, эластичность и др.) выполняются с помощью процессов склеивания: это соединения металлов с резиной, металлов с тканями, металлов с пенопластами, металлов с пластмассами, металлов с керамикой и др.
Ряд деталей и узлов современного самолето- и ракетостроения выполняются только с помощью склейки:
1) теплозащитные, изоляционные и абляционные покрытия спускаемых космических аппаратов;
2) мягкие топливные баки;
3) протекторы колёс;
4) конструкции с сотовыми заполнителями.
Клеи представляют собой вещества или смеси веществ органического или неорганического происхождения, которые благодаря сочетанию таких свойств, как хорошее прилипание (адгезия), механическая прочность в требуемом интервале температур, отсутствие хрупкости, минимальная усадка при отверждении и т.д., пригодны для прочного соединения различных материалов.
Преимущества клеевых соединений
1. Упрощение и ускорение процесса сборки (не надо сверлить отверстия для заклёпок или болтов, не надо отдельно делать болты, заклёпки и другие детали и т.д.).
2. Высокая прочность соединений (отсутствует ослабление материала за счет сверлений и других концентраторов напряжений). Конструкция соединения работает более равномерно.
3. Снижение в ряде случаев веса изделий.
4. Возможность получения гладких поверхностей с высокими аэродинамическими характеристиками.
5. Высокая герметичность соединений.
6. Возможность создания конструктивных элементов и материалов, которые трудно или невозможно получить другими способами: многослойные листовые материалы, содержащие неметаллические элементы, соединения металлов с пенопластом, сотовыми заполнителями и т.д.
7. Возможность соединения разнородных материалов (металлов с резиной, войлоком, тканями, пластмассами и т.д.).
Недостатки клеевых соединений
Клеевые соединения имеют и ряд существенных недостатков, требующих в каждом конкретном случае проведения дополнительных исследований и очень осторожного подхода к определению возможности их применения в конструкциях:
1. Относительно невысокая теплостойкость.
2. Склонность к старению.
3. Потеря свойств во влажной атмосфере.
4. Плохая работа ряда клеев при вибрационных нагрузках.
5. Большой разброс свойств при склеивании одним и тем же клеем по одной и той же технологии.
6. Трудность проведения неразрушающего контроля склеенных деталей и др.
По происхождению клеи подразделяют на природные и синтетические.
Классификация синтетических клеев
По составу:
1. Клеи на основе термореактивных и отверждающихся с помощью отвердителей полимеров.
2. Клеи на основе термопластичных полимеров.
3. Липкие ленты.
4. Клеи на основе эфиров целлюлозы (АГО, “Рапид”, АК-20 и др.).
5. Различные синтетические клеи.
По консистенции или вязкости:
1. Жидкие (БФ, эпоксидный и др.).
2. Пастообразные (ПУ-2 и др.).
3. Плёночные.
4. Твёрдые (в виде карандашей или порошка).
По назначению:
1. Клеи общего назначения.
2. Конструкционные клеи:
а) универсальные – проявляют адгезию к различным материалам,
б) специальные – имеют избирательную адгезию только к определенным материалам).
По методам отверждения:
1. Клеи высыхающие.
2. Клеи затвердевающие:
а) холодного отверждения,
б) горячего отверждения.
Структура клеевого соединения
Клеевое соединение представляет собой сложную систему. Схема клеевого соединения показана на рис. 5.1.
 |
Рис. 5.1. Схема клеевого соединения:
1 – клеевой слой; 2 – слой клея, на который оказывают влияние структура и свойства склеиваемых материалов; 3 – слой склеиваемых материалов, на который оказывают влияние структура и свойства клея;
4 – склеиваемые материалы
Виды разрушения клеевых соединений
В зависимости от вида и свойств клея, состава и свойств склеиваемых материалов разрушение клеевого соединения может быть адгезионным (по границе клея и склеиваемого материала) – рис. 5.2, I; когезионным (по толщине самого клея) – рис. 5.2, II и смешанным (частично по границе клея и склеиваемого материала, а частично по толщине самого клея) – рис. 5.2, III.
 |
Рис. 5.2. Схемы различных видов разрушения клеевых соединений
Теории адгезии
В случае клеевых соединений адгезия – это сцепление между клеящим веществом и склеиваемой поверхностью, если они разнородны. При рассмотрении адгезионных явлений необходимо учитывать и когезию. Когезия– сцепление между атомами и молекулами однородного материала (например, между атомами или молекулами клея).Выбор клея и его компонентов
Например, текстолит, гетинакс, асботекстолит, дельтадревесина имеют основу в виде фенолоформальдегидной смолы. Для них надо применять… Вместе с тем склеивание может быть осуществлено другими универсальными клеями… Термопласты по их способности к склеиванию могут быть разделены на три группы: 1) легко склеиваемые; 2) условно легко…Влияние наполнителей на свойства клеев и клеевых соединений
Наполнители могут изменять удельный вес композиции в тех случаях, когда клеевое соединение может изменить балансировку деталей и узлов (заливка… Введением в клей наполнителей можно уменьшить усадку клея и разницу… Влияние растворителей на процесс формирования клеевого соединенияОбщие этапы технологии склеивания деталей
Подгонка должна обеспечить плотное прилегание склеиваемых поверхностей. Качество подгонки зависит от вида применяемого клея. Если клей имеет малую… Зачистка проводится в целях получения чистых склеиваемых поверхностей,… Установлено, что отполированные поверхности склеиваются хуже, чем поверхности с оптимальной шероховатостью. Для…Состав, маркировка, свойства и особенности применения
Некоторых видов синтетических конструкционных клеев
Клеи на основе немодифицированных фенолоформальдегидных смол
Клеи на основе термореактивных смол содержат в избытке формальдегид и способны при повышенных температурах необратимо затвердевать при переходе в… Клеи на основе термопластичных фенолоформальдегидных смол для отверждения… склеенных деталей в прижатом состоянии от 5 до 25 часов), так и при повышенных (140…150°С) температурах.Модифицированных поливинилацеталями
10%-ный спиртовый раствор поливинилбутираля смешивают с 50%-ным спиртовым раствором термореактивной фенолоформальдегидной смолы (для приготовления… Термореактивная фенолоформальдегидная смола после отверждения в клеевом слое… Термопластичная бутварная смола (поливинилбутираль) придает клею повышенную адгезию, эластичность, вибрационную…Клеи на основе фенолоформальдегидных смол, модифицированных термопластами и эластомерами
термостойких клеев, пригодных для склеивания металлов в силовых конструкциях, используют различные термопласты и эластомеры (синтетические каучуки,… Фенолокаучуковые клеи ВК-32-20, ВК-3, ВК-4, ВК-13, ВК-13М применяют для… ВК-32-20 - фенольная смола (лак ИФ) + нитрильный каучук сТеплостойкие и высокотеплостойкие клеи
Прочность - до 250 кгс/см2 при равномерном отрыве при 20°С. При температуре 400…425°С σв может достигать 44 кгс/см2. Предел выносливости клеевых соединений деталей из стали 30ХГСА:Клеи на основе эпоксидных смол
Эпоксидные клеи отличаются высокой адгезией, малой усадкой при отверждении, достаточно высокой теплостойкостью и рядом других положительных свойств,… Основные марки эпоксидных смол: ЭД-24, ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16, ЭД-14, ЭД-10,… Для получения теплостойких композиций применяют смолы, представляющие собой продукты совмещения дифенилопропановых…Применение специальных клеев для склеивания
Изделий из оргстекла
Клеи-растворители широко применяют для склеивания изделий из органического стекла, винипласта, полистирола. Органическое стекло растворяется в дихлорэтане, ледяной уксусной кислоте и… Клеящие лаки – это 2…3%-ные растворы полимера в органических растворителях.Контроль качества клеев и их основных характеристик
В технических условиях на клей обычно приводятся его основные характеристики, которые контролируют перед применением клеев для склеивания ответственных деталей авиационно-космической техники.
Прежде всего проверяют внешний вид и вязкость клея, они должны соответствовать техническим условиям.
Кроме этого определяют следующие характеристики клея:
– концентрацию клея А = (В/К)×100% , где В – масса высушенного или отвержденного клея, К – навеска клея в исходном состоянии;
– химический состав клея;
– жизнеспособность клея;
– продолжительность отверждения;
– содержание летучих в клеевых пленках;
– зольность клея;
– термический коэффициент линейного расширения;
– содержание влаги;
– усадку при отверждении или сушке;
– внутренние напряжения, возникающие в клее при его усадке и др.
Механические испытания клеевых соединений
Для оценки свойств клеевых соединений, полученных с использованием тех или иных клеев, проводят механические испытания специально склеенных образцов и определяют следующие механические свойства:
– предел прочности на сдвиг;
– предел прочности при равномерном отрыве;
– предел прочности при неравномерном отрыве;
– предел длительной прочности на сдвиг;
– предел длительной прочности при равномерном отрыве;
– предел ползучести;
– предел усталости;
– предел прочности при изгибе и др.
Некоторые из этих характеристик определяют выборочно для готовых деталей.
Задание и методические указания
1. Изучить и законспектировать содержание лабораторной работы.
2. Изучить составы клеев БФ-2 и эпоксидных и технологию склеивания деталей этими клеями.
3. Осуществить склеивание образцов клеем БФ-2 и эпоксидным клеем в различных комбинациях по указанию преподавателя.
4. После завершения процесса склеивания испытать склеенные образцы на сдвиг на ручном гидравлическом прессе (по схеме рис. 5.4). Результаты испытаний занести в табл. 5.2.
5. Изучить состав специальных клеев, применяемых для склеивания оргстекла (полиметилметакрилата) и технологию склеивания клеями-растворителями и клеящими лаками.
6. Осуществить склеивание образцов из оргстекла клеем-растворителем и клеящим лаком. После завершения процесса склейки испытать образцы на сдвиг на ручном гидравлическом прессе (по схеме рис. 5.4). Результаты испытаний занести в табл. 5.2.
7. Сделать необходимые выводы о прочности клеевых соединений в зависимости от вида клея и о стабильности получаемых результатов.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте преимущества и недостатки клеевых соединений по сравнению с болтовыми, заклепочными и другими видами неразъемных соединений.
2. По каким признакам и как классифицируют клеи?
3. Что представляют собой понятия «адгезия» и «когезия»? Какие теории адгезии объясняют процессы склеивания различных конструкционных материалов?
4. Какие факторы являются определяющими при выборе клея, его состава и конструкции клеевого соединения?
5. Дайте характеристику общих этапов технологии склеивания деталей.
6. Дайте характеристику основных видов конструкционных клеев:
а) на основе немодифицированных фенолоформальдегидных смол;
б) на основе фенолоформальдегидных смол, модифицированных поливинилацеталями;
в) на основе фенолоформальдегидных смол, модифицированных термопластами и эластомерами;
г) теплостойких и высокотеплостойких клеев;
д) клеев на основе эпоксидных смол.
7. Каков состав клея БФ-2, какие свойства придают готовому клеевому соединению входящие в него компоненты, какова технология склеивания деталей клеем БФ-2?
8. Каковы составы эпоксидных клеев и технология склеивания
деталей этим клеем?
9. Какие специальные клеи применяют для склеивания полиметилметакрилата (оргстекла), какова технология склеивания деталей этими клеями?
10. Какие виды механических испытаний клеевых соединений обычно
проводятся? Как проводятся испытания на сдвиг?
Протокол экспериментов
Таблица 5.2