Отчет по лабораторной работе 3
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет
имени Н. Э. Баумана»
(МГТУ им. Н. Э. Баумана)
Кафедра МT-8
«Материаловедение»
Домашнее задание по курсу
«Основы физикохимии и технологии композитов»
«Отчет по лабораторной работе №3»
Преподователь: Семенов Б. И.
Выполнили: Петров Н. М.
Содержание
- Введение
- Металлокомпозиты, армированные углеродными волокнами
- Ткани и препреги на их основе
- Таблетированные полуфабрикаты
- Листовые материалы для холодной штамповки
- Основные методы переработки углепластиков
- Список используемой литературы
- Введение
Углеродные волокна и ткани на их основе применяются для армирования композиционных материалов, они применяются с эпоксидными, винилэфирными, полиамидными и фенолформальдегидными смолами, такие композиты называются углепластик. Высокая прочность и жесткость при малом весе основные преимущества углепластика, кроме этого углеродные волокна и углепластик имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения и проводят электричество. Преимущества применения: углепластики позволяют уменьшить вес конструкции на 15-45%, высокая стойкость к коррозии и различным деформациям, возможность создания изделий высокой сложности. История появления: Фактически, современные углеродные волокна появились с 50 годов ХХ века в институте промышленных исследований Асаки, Япония. Углеродные волокна для упрочнения композитов было начато в 1963 году в Англии.
Области применения
Первыми начали применять композиты на основе углепластика военные специалисты, в военно-промышленном комплексе и углепластик первое время считался секретным. Сейчас, углепластик используется в серийном авиастроении, благодаря малому весу (это один из самых важных параметров в авиастроении) и превосходных прочностных свойств, углепластик крепко занял свое положение в этой отрасли, не представить без него и развитие космонавтики, где он считается не заменимым.
Сочетания таких уникальных параметров не обошли стороной и другие высокотехнологичные и наукоемкие отрасли такие как: медицина (протезы, сухожилия и пр.) благодаря совместимости с тканями и мех. свойств и судостроение, производство корпусов яхт и катеров, нельзя представить современные спортивные яхты без углепластиковых мачт, частей корпуса и многих других деталей.
- Металлокомпозиты, армированные углеродными волокнами
По сравнению с углепластиками, металлы, армированные углеродными волокнами, - более молодые материалы. Они обладают рядом достоинств, которые отсутствуют у углепластиков: высокой теплостойкостью (большей, чем у углепластиков), прочностью в направлении, перпендикулярном ориентации волокон, прочностью при сжатии (продольном изгибе) и другими ценными свойствами. Поэтому в настоящее время над их созданием активно работают во многих странах. Информация о новейших зарубежных достижениях в этой области по сравнению с количеством публикаций об углепластиках весьма ограниченна. Тем не менее известно, что появились различные типы металлов, армированных углеродными волокнами, и разработаны всевозможные методы их формования и переработки. Соответственно физические характеристики таких материалов также различны. Первостепенным является вопрос, какими свойствами должны обладать углеродные волокна, предназначенные для армирования металлов. В данной главе кратко освещается состояние работ в области создания армированных углеродными волокнами металлов и рассматриваются перспективы их дальнейшего совершенствования и применения.
Формование и переработка металлокомпозитов, армированных углеродными волокнами.
Согласно схеме технологического процесса производства металлов, армированных волокнами, по мере надобности для улучшения смачиваемости волокон металлом и адгезии с ним, а также для регулирования реакционной способности поверхности волокон на них наносят покрытие или осуществляют другую предварительную обработку волокон. Затем формируют полуфабрикаты или так называемые исходные элементы металлокомпозитов. Полученные полуфабрикаты разрезают в соответствии с требуемыми размером и формой, складывают, ориентируя их в нужном для данной конструкции направлении, и затем осуществляют формование. После этого проводят окончательную обработку изделия - склеивание отдельных частей, механическую обработку и т. д.
Исследована возможность применения в качестве матрицы различных металлов: алюминия, магния, меди, никеля, кобальта и многих других. Наиболее эффективными для применения на практике оказались алюминий, магний и другие легкие металлы. Углеродные волокна, как известно, обладают высокими триботехническими характеристиками; при изготовлении композитов на основе углеродных волокон, применяемых в производстве подшипников, в качестве металлической матрицы используют главным образом медь. Остановимся подробнее на вопросах получения полуфабрикатов и формования металлокомпозитов, армированных углеродными волокнами, на основе наиболее широко применяемого для этих целей металла - алюминия.
Методы получения полуфабрикатов
Существуют методы литья, порошковой металлургии и другие методы, в которых формование готовых изделий осуществляют непосредственно, минуя стадию получения полуфабриката. Однако при использовании армированных металлов открывается возможность изготовления изделий с заданными анизотропными свойствами. Поэтому необходимым становится этап производства полуфабрикатов. В настоящее время известен ряд методов промышленного производства полуфабрикатов алюминия, армированного углеродными волокнами. Например, фирмой Material Concept inc. (США) разработан метод получения проволоки из углеродных волокон на поверхность которых алюминий или магний наносятся из расплава; фирма "Тохо бэсурон" (Япония) производит листовые материалы путем нанесения на углеродные волокна алюминия методом ионной металлизации (физического осаждения).
Пропитка в расплавленном металле. В этом случае предварительно проводят химическое осаждение на поверхность волокон боридов титана TiB и TiB2, а затем пропитывают пучок волокон в расплаве алюминия или другого металла и получают заготовку в виде проволоки. К
Ионная металлизация. Используя этот метод, предварительно проводят плазменное травление поверхности углеродных волокон, а затем покрывают их поверхность алюминием. Физическое осаждение позволяет нанести металлическую матрицу на каждое элементарное волокно в тонком пучке волокон. Из таких пучков формируют тонкие и гибкие листовые заготовки. Обработку поверхности осуществляют при температуре ниже точки плавления алюминия. Поэтому при ионной металлизации углеродные волокна высокопрочного типа могут взаимодействовать с алюминием, сохраняя высокую прочность. Метод не требует нанесения промежуточного покрытия, регулирующего реакционную способность поверхности волокон, и позволяет непосредственно покрывать ее металлом.
Другие методы получения полуфабрикатов. Кроме указанных выше методов разрабатывается метод получения листовых полуфабрикатов путем металлизации в расплаве с предварительным наматыванием пучков углеродных волокон на цилиндр и последующим погружением его на короткое время в расплав алюминия. Для сравнительно толстых элементарных борных волокон применяют метод получения полуфабрикатов в виде "сырых" листов. Этот метод можно использовать и для углеродных волокон: волокна, намотанные на цилиндр, фиксируют на его поверхности, напыляя на них акриловую, полисульфоновую или другую смолу. В результате получается слоистая система, состоящая из волокнистых листов и листов фольги из металлической матрицы. На стадии высокотемпературного формования в вакууме фиксирующий исходное положение волокон полимер испаряется и замещается металлом.
В производстве полуфабрикатов из углеродных волокон эффективен метод электролитической металлизации. В настоящее время разрабатывается метод непрерывного нанесения никелевого или медного покрытия одинаковой толщины на каждое моноволокно, входящее в состав жгута.
Характеристики металлов, армированных углеродными волокнами
Среди армированных углеродными волокнами металлов наиболее хорошо изучены металлокомпозиты с алюминиевой матрицей. Однако даже для этого композиционного материала не решена проблема совместимости волокон и металлической матрицы. Опубликованные до настоящего времени данные касаются в основном методов производства полуфабрикатов и методов формования изделий, которые пока нельзя признать достаточно научно обоснованными и оптимизированными.
- Ткани и препреги на их основе
Углеродные волокна имеют высокий модуль упругости и малые удли-
удлинения. Поэтому они не выдерживают многократных деформаций и использование их для получения тканых материалов представляет известные трудности. Однако в связи с прогрессом в технологии производства углеродных волокон и в технике ткачества оказалось возможным изготавливать из них и всевозможные тканые материалы. Преимуществом однонаправленных тканей является то, что в них практически исключаются перегибы волокон в продольном направлении, волокна хорошо ориентированы, материал получается гладким и приятным на ощупь. Их выпускают и в виде гибридных лент и полотна в сочетании со стекловолокнистыми нитями.
В настоящее время ассортимент тканей весьма разнообразен; они различаются плотностью расположения нитей по ширине, структурой плетения, соотношением числа нитей в продольном (по основе) и поперечном (поутку) направлениях, числом элементарных волокон в пучке и другими характеристиками. Некоторые виды специальных тканей: неизвитая ткань, в которой благодаря исключению изгибов углеродных волокон предотвращается повреждение волокон и снижение их прочности;
Рис.1. Примеры тканей специального назначения
a - неизвитая ткань; б - спиральная ткань; в – ткань с трехосной ориентацией; г – трехмерная ткань с ортогональной объемной ориентацией
спиральная ткань, в которой углеродные волокна расположены по спирали и связаны между собой в радиальном направлений; ткани с ориентацией углеродных волокон под углом 0,30 и 60°; трехмерные ткани, в которых углеродные волокна ориентированы также и в направлении толщины ткани, и т. д. Неизвитая ткань уже применяется при изготовлении удилищ и других изделий. На рис. 1 показаны примеры тканей специального назначения.
Перечисленные выше типы тканей производятся фирмами, выпускаю-
выпускающими углеродные волокна. Одни фирмы-изготовители углеродных волокон выпускают и препреги, осуществляя пропитку тканей связующими.
Другие- фирмы изготавливают из тканей изделия с одновременным введением в них связующего, используя указанный выше арсенал технологических средств.
Тесьма или плетеный рукав
Тесьма из углеродных волокон в виде плетеных рукавов характеризуется большей гибкостью по сравнению с тканями на основе углеродных волокон. Из тесьмы можно получать изделия сложной конфигурации с поверхностью неправильной формы и т. д. Кроме того, тесьму в виде рукава можно использовать для армирования внутренней поверхности металлических шлангов, изогнутых трубок и других изделий. Различные типы тесьмы различаются количеством углеродных волокон в нитях, углом ориентации нитей в тесьме, количеством входящих в тесьму нитей и т. д.
Маты
Маты представляют собой рулонный материал, состоящий из хаотически расположенных отдельных углеродных волокон, которые пропитаны полиэфирным или другим связующим. В отличие от армированных конструкционных материалов изделия на основе матов, не обладая высокой прочностью, имеют высокую электропроводность и используются в качестве антистатических и поглощающих радиоволны материалов для изготовления, например, полов.
Листовые и формовочные материалы
Если все непрерывные волокна ориентированы в определенном направлении и натянуты, то параметры углепластика в этом направлении максимальны. При изготовлении изделий сравнительно простой формы, например плоских листов, труб и других однородных по толщине изделий, можно с успехом реализовать характерные свойства углепластиков. Однако при получении изделий сложной формы возникает ряд затруднений в связи с необходимостью применения методов прессования, литья и т. д. Поэтому в настоящее время уделяется большое внимание совершенствованию технологии производства полуфабрикатов и методов их переработки. Одно из технологических решений - метод получения и переработки листовых формовочных композиций. В этом случае углеродные нити рубят на отрезки длиной 12,5 — 75 мм, пропитывают связующим на основе ненасыщенной полиэфирной смолы, поливинилового эфира или других веществ, регулируя их вязкость, и из этой композиции изготавливают листы, которые затем можно перерабатывать в изделия различными методами.
Чаще всего в листовых формовочных материалах, как и в стеклопластиках подобного типа, углеродные волокна располагаются хаотично в плоскости листа. Предпринимаются попытки создать листовые формовочные материалы, в которых короткие углеродные волокна в той или иной степени ориентированы в заданном направлении. Обычно листовые формовочные материалы на основе углеродных волокон отличаются от аналогичных стеклопластиков более высоким относительным содержанием волокон. Повышенное содержание наполнителя требует корректирования условий формования материала, особенно в связи с тем, что углеродные волокна имеют (вследствие их малого диаметра) большую суммарную площадь поверхности и перераспределение связующего в объеме материала при формовании изделий затруднено. Поэтому возникает необходимость совершенствования технологии изготовления и переработки листовых формовочных материалов, с тем чтобы повысить совместимость компонентов и монолитность материала в изделиях.
- Таблетированные полуфабрикаты
Таблетированные полуфабрикаты представляют собой гранулирован- гранулированную смесь термопластичной матрицы и коротких углеродных волокон, предназначенную для литья под давлением, экструзии и других методов переработки наполненных термопластов. Фирмы-изготовители углеродных волокон и полимеров выпускают различные марки таких
Рис. 2. Зависимость прочности и модуля упругости углепластика на основе найлона 66 от содержания волокон.
полуфабрикатов, отличающиеся типом полимеров, содержанием углеродных волокон, различными добавками и т.д. Для получения хорошей износостойкости и антистатических свойств используют сравнительно низкую скорость перемешивания, а при литье в металлические формы, когда необходимо получить изделия, обладающие высокими жесткостью и прочностью, используется высокоскоростное перемешивание композиции. На рис. 2. показана зависимость прочности и модуля упругости углепластика от содержания углеродных волокон. Как видно из рисунка, с повышением содержания волокон модуль упругости углепластика возрастает практически линейно. Рост прочности углепластика замедляется, начиная примерно с содержания волокон 40 масс.%. При повышении содержания волокон реологические свойства смесей ухудшаются, что отрицательно влияет на процесс формования. Поэтому относительное содержание волокон 40 масс.% следует рассматривать как максимальное для композиционных материалов этого типа.
- Листовые материалы для холодной штамповки
Листовые материалы, предназначенные для холодной штамповки, представляют собой пропитанные термопластичными смолами маты из коротких волокон или ткани из непрерывных волокон. Такие материа- материалы аналогичны листовым формовочным материалам на основе коротких волокон, пропитанных термореактивной смолой, но обладают
преимуществами по технологическим условиям формования, в частности длительность процесса формования меньше. В качестве примера можно привести наполненные стекловолокнами листовые материалы для холодной штамповки. С точки зрения технологичности лучше использовать короткие волокна, однако материалы на основе тканей из непрерывных волокон обладают лучшими механическими свойствами.
- Основные методы переработки углепластиков
Методы получения многослойных изделий из препрегов. Такие ме- методы аналогичны формованию стеклопластиков с ручной выкладкой стекловолокнистых полуфабрикатов. Слоистый пластик в этом случае получают ручной выкладкой слоев препрега на основе углеродных воло- волокон, а отверждение проводят методами горячего прессования, автоклав- автоклавного формования, методом формования на поворотном столе и т. д.
Формование препрегов с использованием металлических штампов. Этим методом прерсуют уложенные вручную в металлическую форму пакеты однонаправленных или тканевых препрегов на основе углеродных волокон. Формование под давлением среди других методов переработки пластмасс имеет наиболее давнюю историю и широко применяется при переработке термореактивных смол. Для получения изделий из композиционных материалов на основе таких смол и углеродных волокон этот метод используется практически без изменений. Можно отметить его следующие характерные особенности:
1. В отличие от рассматриваемых далее методов литья изделий из
термопластов этот метод из-за отсутствия необходимости перераспреде- перераспределения компонентов в объеме материала не требует высоких давлений при формовании изделий и, следовательно, позволяет использовать сравнительно недорогие металлические формы и оборудование для прессования.
2. Благодаря применению армирующих материалов из непрерывных волокон изделия имеют весьма высокие прочность и жесткость. Кроме того, устраняется возможность нарушения ориентации волокон вследствие перетекания связующего, как это имеет место при переработке листовых формовочных материалов, литье под давлением и использовании некоторых других методов.
3. Можно получать изделия с высокой точностью размеров.
4. В качестве полимерных матриц в углепластиках рассматриваемо- рассматриваемого типа обычно применяются связующие на основе эпоксидных смол, а также ненасыщенных полиэфирных смол, поливиниловых эфиров, полиимиды и другие типы полимеров.
Автоклавное формование. Препрег или многослойный пакет и прега на основе углеродных волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием. Первоначально он использовался для склеивания деталей самолетов.
Процесс собственно автоклавного формования состоит из следующих основных этапов: 1) на форму накладывают необходимое число слоев препрега ; 2) при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение; 3) осуществляют отделку (зачистку) вержденных изделий. Чаще всего при отверждении в автоклаве используют и вакуумный мешок. Рассмотренный метод формования является периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка и т. д.
Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования: 1) возможность получения изделий равномерной толщины; 2) возможность формования крупногабаритных изделий; 3) высокое качество поверхности изделий; 4) при использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.
Рис. 3. Метод намотки трубчатых изделий (метод поворотных столов).
Метод намотки трубчатых изделий. Этот метод также называют методом поворотных столов. Он используется для формования удилищ, рукояток клюшек для игры в гольф и других изделий в виде трубок. Однонаправленный или тканевый препрег наматывают на цилиндрическую оправку, находящуюся между двумя нагреваемыми столами. Намотку на оправку осуществляют путем относительного смещения столов (рис. 3.).
Данный метод по сравнению с рассматриваемым ниже методом намотки нитями имеет следующие достоинства:
1. Оборудование весьма простое и недорогое.
2. Метод позволяет несложными приемами наматывать из препрегов трубчатые изделия, имеющие конусность; при намотке нитями изготовление таких изделий затруднено.
3. Благодаря применению препрегов относительное содержание
компонентов в изделии весьма стабильно.
Метод намотки нитями. Среди всевозможных методов формования углепластиков метод намотки позволяет получать изделия с наиболее высокими деформационно-прочностными характеристиками. Методы намотки делятся на так называемые "сухие" и "мокрые". В первом случае для намотки используются препреги в виде нитей, жгутов или лент. Во втором — пропитка армирующих материалов связующим ведется непосредственно в процессе намотки; наибольшее распространение получил второй метод.
Рис. 4. Различные схемы намотки.
а – косоугольная (или геликондальная) намотка; б – кольцевая (или тангенциальная) намотка; в- спиральная-продольная намотка; г – полярная намотка
Как показано на рис. 4, при намотке пропитанные связующим ар- армирующие материалы из углеродных волокон наматывают на оправку до определенной толщины, отверждают и затем отделяют изделие от оправки. Наиболее типичными способами намотки являются поперечная и спиральная или их сочетание с другими методами намотки. Для намотки используют машины различных типов: токарного (преимущественно), перекидного и других (рис. 5).
Рис. 5. Различные типы намоточных машин
а - токарный; б – перекидной; в – токарный с рельсовой направляющей; г – планетарный.
В последнее время разрабатывается оборудование, в котором вместо механических средств управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы. Это позволяет получать трубчатые изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а также изделия со сложной геометрией. Разрабатывается оборудование для намотки с применением гибкой технологии, когда армирующие волокнистые материалы можно укладывать на оправке в любом направлении.
- Список используемой литературы
- Симамура С. Углеродные волокна. – Москва: Изд-во «Мир», 1987. –298 с.
- Мищенко С.В., Ткачёв А.Г. Углеродные материалы. Производство, свойства, применение. Москва: Изд-во «Машиностроение», 2008. – 172с.
- www.carbonstudio.ru/ulerod_tkani
2. Історія становлення системи управління освітою
3. Создать со следующими параметрами Ширина 1250 Высота 750 px разрешение 300
4. Многие искусствоведы относят его к весьма отдаленным эпохам- говорят о Р
5. Обыкновенные дифференциальные уравнения
6. вариантов доставки ценности целевой группе потребителей по четырем аспектам- а сфера бизнеса компании спец
7. Средства передачи и получения управленческой информации на современных предприятиях
8. Основные достижения культуры Древнего Китая
9. Pper Soldier~s Количество участников группы- 4 человека
10. ЭМП ИЗЛУЧЕНИЯ РАМКИ С ТОКОМ
11. Иркутский государственный лингвистический университет ФГБОУ ВПО ИГЛУ
12. Тема 4 Феномен особистості і філософське осмислення можливостей освіти
13. Модель развития экономики Украины
14. ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ОБЩЕСТВЕННО-ПОЛИТИЧЕСКУЮ МЫСЛЬ РОССИИ В 50-60- Е ГГ.XVIII ВЕКА- «БОРЬБА С МОНАРХОМ»
15. 012014 Суббота Компьютерные технологии Доц
16. Соотношение исторического и онтогенетического развития психики
17. Климат Австралии.html
18. Организация безналичных расчетов в Украине
19. I О двух видах светских наук а также каковы те из них которые сотворили люди Есть два вида наук к которым об
20. реферат диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук Ростов.