Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Лабораторная работа № 1. Получение и исследование |
|
|
структурных и механических характеристик пенопластов …….. |
4 |
|
Лабораторная работа № 2. Входной контроль армирующих |
|
|
материалов КМ ..………………………………………………….. |
19 |
|
Лабораторная работа № 3. Технология производства деталей, |
|
|
узлов и агрегатов из КМ, приготовление полимерных |
|
|
матричных материалов для ПКМ и определение их |
|
|
технологических параметров …………………………………… |
47 |
Лабораторная работа № 4. Изучение зависимости свойств |
|
|
однонаправленных композиционных материалов от |
|
|
характеристик компонентов и степени армирования …………... |
71 |
|
Лабораторная работа № 5. Клеи и процессы склеивания. Применение клеев для создания неразъемных соединений |
|
|
элементов конструкций АКТ ……………………………………... |
83 |
Библиографический список …………………………................. |
106 |
Лабораторная работа № 1
Получение и исследование структурных и механических
характеристик пенопластов
Цель работы
Изучить классификацию и способы производства пенопластов.
Ознакомиться с составом, свойствами, маркировкой и применением пенопластов на основе различных полимеров.
Освоить технологию производства деталей и полуфабрикатов на основе полистирола самовспенивающегося (ПСВ).
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
Технология производства пенопластов состоит из операций приготовления композиции, введения газовой фазы в полимерную среду (чаще всего путем вспенивания), придания вспененной массе необходимой формы с последующей ее фиксацией. Операция формообразования может предшествовать процессу вспенивания.
Приготовление композиции заключается в смешивании компонентов. В состав пенопластов могут входить полимеры или олигомеры, отвердители, катализаторы, пластификаторы, красители, стабилизаторы, наполнители, газообразователи и др.
Рассмотрим основные способы введения газовой фазы в полимерную среду при производстве пенопластов.
1. Смешивание композиции, находящейся в вязкотекучем состоянии, с газом при нормальном давлении (механическое вспенивание).
Механическое вспенивание проводится в вертикальных цилиндрических аппаратах, снабженных многолопастными мешалками. В аппарат заливаются растворы полимеров или олигомеров. В нижнюю часть аппарата при работающей мешалке подается сжатый воздух. Взбитая пена через отверстия в днище аппарата сливается в формы, в которых происходит сушка и отверждение блоков полимера. Данным методом получают материалы, имеющие преимущественно открытую структуру ячеек, так как растворители, которые удаляются в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушают их. Таким способом получают пенополивинилхлорид и пенопласты на основе карбамидных смол (мипора).
2. Насыщение композиций, находящихся в вязкотекучем состоянии (расплавы полимеров, олигомеры, пасты, сырые резиновые смеси), газом при высоком давлении.
Газом при высоком давлении насыщают расплавы полимеров, полимерные пасты и резиновые смеси. Насыщение газами (N2, СО2) проводится в автоклавах при давлении от 2 (20 ) до 30 МН/м2 (300 кгс/см2). Под давлением происходит растворение газа в композиции и образование насыщенного раствора. При последующем сбросе давления растворимость газа в композиции резко снижается и он начинает выделяться в виде газовых пузырьков, равномерно распределенных в объеме композиции. Путем последующего нагрева можно увеличить степень вспенивания и уменьшить кажущуюся плотность пенопласта. В зависимости от степени насыщения полимерных композиций газом и режима вспенивания можно получить пенопласты как с закрытой, так и с открытой структурой ячеек.
3. Насыщение полимерных композиций легкокипящими жидкостями, которые при нагревании превращаются в пар.
Насыщение термопластичных полимеров легкокипящими жидкостями осуществляется в процессе их получения, например при суспензионной полимеризации. Мономер и легкокипящую жидкость (изопентан, метиленхлорид) подбирают так, чтобы легкокипящая жидкость растворялась в мономере, но не растворялась в полимере. Выделение легкокипящей жидкости в виде отдельной фазы происходит в момент превращения капелек мономера в полимер, поэтому в образующихся гранулах полимера появляются вкрапления равномерно распределенных капелек легкокипящей жидкости. Кажущаяся плотность получаемого пенопласта или детали из него регулируется степенью заполнения формы гранулами или содержанием низкокипящей жидкости в гранулах.
Для получения пенопластов с более равномерной структурой во всем объеме материала или детали гранулы подвергают предварительному вспениванию. Насыпная плотность предварительно вспененных гранул должна быть равна кажущейся плотности пенопласта. Предварительно вспененными гранулами полностью заполняется форма и проводится окончательное вспенивание. Так как степень окончательного вспенивания ограничивается объемом формы, то внутри формы развивается давление 0,3…0,5 МН/м2
(3…5 кгс/см2). Формы должны быть достаточно прочными и жесткими и не должны раскрываться в процессе окончательного вспенивания.
4. Введение в композицию веществ (газообразователей или порофоров), разлагающихся при нагревании с выделением большого количества газообразных продуктов.
С помощью газообразователей получают пенопласты из термопластичных и термореактивных полимерных материалов. Газообразователи обычно растворяют в мономерах или полимер-мономерных пастах. Полученный компаунд заливают в форму и проводят его полимеризацию при температуре ниже температуры разложения газообразователя. После этого блок полимера, являющийся по форме миниатюрой будущей детали или изделия, извлекают из формы и нагревают до температуры выше температуры стеклования полимера и температуры разложения газообразователя. Под действием выделяющихся газов блок высокоэластичного полимера равномерно увеличивается во всех направлениях. В нужный момент заготовка охлаждается и процесс вспенивания прекращается. Такой способ изготовления изделий из пенопластов называется масштабным формованием.
Термореактивные полимеры смешивают с газообразователями на вальцах или в шнековых смесителях. При использовании вязких компонентов (эпоксидные смолы с отвердителями) применяют лопастные смесители. Пенопластовые полуфабрикаты получают, проводя окончательное вспенивание в замкнутых формах. Кажущаяся плотность готовых пенопластовых полуфабрикатов или деталей, как и в предыдущем способе, регулируется насыпной массой компаунда, засыпаемого в форму заданного объема.
Формы в процессе производства жестких пенопластов из термореактивных смол или из отверждающихся с помощью отвердителей полимеров сначала нагреваются до температуры перехода полуфабриката в вязкотекучее состояние и далее до температуры разложения газообразователя. После необходимой степени вспенивания нагревание продолжается до температуры отверждения смолы. Этот способ позволяет получать пенопласты с преимущественно закрытой структурой ячеек.
5. Совмещение компонентов, взаимодействующих между собой с выделением большого количества газообразных продуктов.
Этим способом получают пенополиуретаны, пенофенопласты, пенополивинилхлорид и др. Суть его состоит в том, что при смешивании компонентов некоторых заливочных компаундов, находящихся в вязкотекучем состоянии, или полимерных паст происходит выделение газообразных продуктов реакции (например СО2, Н2), вспенивающих массу. Процесс производства пенопластов из таких композиций может быть одно- и двухстадийным. Одностадийный способ предусматривает одновременное смешивание всех компонентов в смесителе и последующее вспенивание, которое начинается через 10 15 секунд после смешивания и длится 1 2 минуты. Длительность отверждения пены зависит от ее массы, химического состава, температуры и других факторов и может колебаться от нескольких часов до нескольких суток. Вспенивание и отверждение могут происходить при обычной и повышенной температуре.
При двухстадийном способе сначала изготавливают форполимер, а затем проводят вспенивание в результате взаимодействия компонентов композиции с некоторыми низкомолекулярными веществами, например с водой, и отверждение.
6. Получение заготовок прессованием из композиций, наполненных растворимыми в воде веществами, которые далее вымываются.
При этом способе можно получить заготовки или детали из термопластов и реактопластов. Сначала тщательно смешивают порошкообразный полимер с порошком растворимого вещества. Затем полученную композицию спрессовывают в монолитный блок в пресс-формах, нагреваемых до температуры плавления полимера или отверждения смолы. Блок охлаждают до комнатной температуры и помещают в нагретую воду, которая вымывает находящиеся в полимере водорастворимые вещества. После этого блок поропласта высушивают.
7. Спекание неуплотненных порошкообразных или пористых заготовок, полученных из порошков прессованием в холодных формах.
Методом спекания пористых заготовок получают поропласты из полимеров, температура плавления которых выше температуры их деструкции (например из фторопласта-4). В этом случае порошкообразный полимер уплотняют в холодных формах в таблетки определенной конфигурации и плотности. Затем таблетки спекают в печах в пористые заготовки. Порошкообразные частицы полимера соединяются друг с другом в процессе спекания только в местах их контакта.
Рассмотрим подробнее полимеры, на основе которых изготавливают пенопласты, маркировку и свойства некоторых пенопластов.
Пенополистирол (ПС) представляет собой газонаполненный термопластичный материал на основе полистирола или на основе его производных или сополимеров. В основном пенополистирол получают вспениванием полимера парами легкокипящей жидкости, например, так получают пенополистирол марок ПСБ, ПСБ-С.
Вспениванием композиций на основе полистирола с газообразователями изготавливают пенополистирол марок ПС-1, ПС-4, ПС-5 и др. Кажущаяся плотность ПС-1 – 70…200, ПС-4 – 40…65, ПС-5 марки А – менее 50, марки Б – более 50, ПСБ-С – 15…50 кг/м3. (Плотность монолитного полистирола составляет 1050 кг/м3).
Полистирольные пенопласты обладают малым водопоглощением, высокими тепло- и электроизоляционными свойствами, которые зависят от плотности. С увеличением плотности улучшаются механические характеристики, снижается показатель водопоглощения, но ухудшаются теплоизоляционные свойства.
Пенополистирол обрабатывается ручным столярным инструментом и на деревообрабатывающих станках. В нагретом состоянии плиты могут гнуться, штамповаться. Детали из пенополистирола прочно склеиваются между собой, с металлами, древесиной, пластмассами (клеи ВИАМ Б-3, БФ-2, ПУ-2). Клеи наносятся кистью или шпателем.
Недостатки полистирольных пенопластов: повышенная растворимость в большинстве органических растворителей, горючесть, низкая максимальная рабочая температура (Траб=60…70°С).
Пенопласты ПС-1, ПС-4, ПС-5 применяют как теплоизоляционный материал в холодильных установках; ПС-1, ПС-4 - в производстве спасательных и переправочных средств в качестве легкого заполнителя; ПС-1, ПС-2 - в радиотехнике в качестве радиопрозрачного материала, при изготовлении обтекателей радиолокационных станций, герметизирующих колпаков.
На основе кремнийорганических полимеров получают эластичные (пенорезины или губчатые резины и пеногерметики) и жесткие пенопласты. Основной метод получения материалов и деталей – вспенивание композиций, содержащих газообразователи. Иногда полиорганосилоксановую композицию насыщают инертным газом (N2) под давлением.
Детали из эластичных пенополиорганосилоксанов после смешивания компонентов путем вальцевания формуют прессованием. Во время прессования в закрытых пресс-формах при 110…120°С происходят формообразование массы, ее частичная вулканизация, разложение газообразователя и насыщение массы газом. Далее при более высокой температуре структура пенопласта фиксируется вулканизацией.
При изготовлении деталей из жестких пенопластов компоненты (полимер, газообразователи и др.) смешиваются путем вальцевания и выпускаются в виде порошкообразного полуфабриката. При производстве деталей при 80…100°С порошок плавится, при 120…130°С происходит разложение газообразователя и начинается отверждение. При нагревании до 170°С степень отверждения достигает 20…30%. Полное отверждение происходит при 200°С за 12 часов или при 250°С за 6 часов. Линейная усадка при отверждении составляет 2…2,5%. Пенопласты на основе кремнийорганических полимеров отличаются высокой тепло- и термостойкостью. Они способны длительно (сотни часов) сохранять хорошие теплоизоляционные и диэлектрические свойства при 250°С и кратковременно (несколько часов) при 350°С. При введение наполнителей (асбестовые волокна или молотый асбест, кварц, окислы металлов, мелкодисперсный алюминий и др.) повышается термостабильность пенопластов. Они приобретают способность выдерживать длительный нагрев при 350°С и кратковременный – при 450°С.
Пенополиорганосилоксаны обладают низкой прочностью. Для повышения их общей прочности и ударопрочности их армируют различными волокнами, с той же целью пенопласты получают из смеси кремнийорганических полимеров с эпоксидными, фенолоформальдегидными, полиуретановыми и др. смолами, но при этом снижается термостойкость, увеличивается теплопроводность и изменяются другие свойства получаемых пенопластов.
Пенопласты применяют в качестве теплоизоляционных, электроизоляционных материалов и заполнителей в конструкциях, длительно работающих при температурах 200…350°С и кратковременно – при 400…450°С, а также в абляционно-стойких покрытиях.
Пенопласты на основе кремнийорганических полимеров выпускаются в виде пеногерметиков ВПГ-1, ВПГ-2 с кажущейся плотностью 300…500 кг/м3 и в виде жестких пенопластов К-40 и К-9 с кажущейся плотностью 250…300 кг/м3.
Пенопласты на основе полиэтилена (пенополиэтилен)
В производстве пенополиэтилена обычно применяют полиэтилен низкой и высокой плотности. Вспенивание осуществляют чаще всего с помощью газообразователей и легкокипящих жидкостей. При этом получают пенопласты с кажущейся плотностью от 30…60 кг/м3 (высоковспененные) до 400…500 кг/м3 (низковспененные). Пенопласты и профильные полуфабрикаты изготавливают экструзией с одновременным или последующим вспениванием. В этом случае пенопласты имеют замкнутую структуру ячеек.
Пенополиэтилен с кажущейся плотностью 500 кг/см3 производят также насыщением композиции азотом или углекислым газом под давлением
3 МН/м2 (30 кгс/см2) при 160°С. Полученный таким способом пенопласт содержит большое количество ячеек открытой структуры.
Пористый полиэтилен с кажущейся плотностью 400…600 кг/м3 и малой газопроводностью изготавливают из композиций, наполненных водорастворимыми веществами (хлористым натрием, крахмалом и другими).
Ионизирующее излучение вызывает сшивание молекул полиэтилена с выделением водорода, вспенивающего полимер. При этом получается мелкопористый материал с кажущейся плотностью 500…600 кг/м3.
Пенополиэтилен применяют для изготовления эластичной электроизоляции, эластичных легких труб и листов, теплоизоляционных трубных элементов. Из пенополиэтилена марки ФЭП-1 с размерами пор 30…40 мкм изготавливают фильтрующие элементы, обладающие высокой химической стойкостью. Пенополиэтилен широко применяется в судостроении, автомобилестроении, строительстве и в быту как легкий звуко- и теплоизолирующий заполнитель элементов конструкций с высокими виброгасящими свойствами.
Пенополивинилхлорид – газонаполненный материал на основе поливинилхлорида или сополимеров винилхлорида. Для производства пенополивинилхлорида используют эмульсионный поливинилхлорид иногда
смесь его с перхлорвиниловой смолой (хлорированный поливинилхлорид) или сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом и др. Так как температура разложения (деструкции) поливинилхлорида ниже температуры его перехода в вязкотекучее состояние, то наряду со стабилизатороми обязательным компонентом смеси при производстве пенопластов являются пластификаторы (дибутилфталат, трикрезилфосфат и др.). Такие композиции называются полимер-мономерными пастами (пластизолями). Соотношение полимера, пластификатора и мономера определяет степень жесткости пенополивинилхлорида.
При производстве пенополивинилхлорида применяют большинство способов производства пенопластов, рассмотренных ранее.
Отечественной промышленностью выпускаются жесткие поливинилхлориды с замкнутой структурой ячеек ПХВ-1 с кажущейся плотностью 70…130 кг/м3, ПХВ-2 с кажущейся плотностью 130…220 кг/м3, ПВ-1 с кажущейся плотностью 50…110 кг/м3 и винипор полужесткий с открытой структурой ячеек и кажущейся плотностью 100…120 кг/м3. Пенополивинилхлориды этого типа имеют высокую химическую стойкость к действию кислот, щелочей, жидких топлив и органических растворителей, достаточно прочны и относятся к негорючим материалам (горение затухает при выносе из пламени).
Эластичные пенополивинилхлориды марок ПХВ-Э и пеноэласт имеют замкнутую структуру ячеек с кажущейся плотностью 80…300 кг/м3, а винипор – открытую структуру ячеек и кажущуюся плотность 80…180 кг/м3.
Жесткий пенополивинилхлорид с замкнутой структурой ячеек используется как конструкционный материал в деталях, узлах и агрегатах АКТ, например, для заполнения сотовых панелей, в качестве заполнителя в авиационных винтах, в качестве виброгасящих, звуко- и теплоизолирующих материалов и т.д. Из него изготавливают многие детали в судостроении, автомобилестроении, в промышленности, выпускающей изделия бытовой техники.
Эластичные пенополивинилхлориды применяются в качестве амортизаторов, упругих, мягких и звукоизолирующих прокладок, плавучих и спасательных средств.
По объему производства пенополивинилхлорид занимает третье место среди поропенопластов после пенополиуретанов и пенополистирола.
Композиции для производства пенополиуретанов содержат изоцианаты, гидроксилсодержащие олигомеры, воду, катализаторы, эмульгаторы, а иногда еще и наполнители, красители и антипирены (вещества, снижающие горючесть).
Пенополиуретаны изготавливают вспениванием композиции газами, выделяющимися в результате реакции между компонентами исходной смеси, или легкокипящими жидкостями.
Отечественной промышленностью выпускаются жесткие пенополиуретаны марок ПУ-101, ПУ-101Т, ППУ-3С, ППУ-304М с кажущейся плотно-
стью 100…200, 150…250, 50, 30…50 кг/м3 соответственно и эластичные пенополиуретаны ППУ-Э, ППУ-ЭТ, ППУ-ЭМ-1 с кажущейся плотностью 25…60, 30…40, 30…50 кг/м3 соответственно.
Пенополиуретаны обладают хорошей атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и окислителей. Жесткие пенополиуретаны устойчивы к бензину, дизельным и смазочным маслам, керосину, хлорированным углеводородам, спирту, водным растворам солей, но разрушаются ацетоном, этилацетатом, крезолом, 30%-ной соляной кислотой, 10%-ной серной кислотой и 15…20%-ными растворами едкого натра. Жесткие пенополиуретаны краткосрочно могут работать при 220°С.
Жесткие пенополиуретаны применяют для заполнения полых конструкций в самолето-, судо-, автомобилестроении, используют в качестве электроизоляционного, тепло- и звукоизоляционного материала.
Эластичные пенополиуретаны применяют для производства мягких авиационных и автомобильных кресел, изготовления ковровых покрытий, мягкой мебели, губок, щеток и т.д.
По объему производства пенополиуретаны занимают первое место среди всех поропенопластов.
(пенофенопласты)
Для производства пенофенопластов используют фенолоформальдегидные смолы резольного (термореактивные) и новолачного (термопластичные) типа, реже фенолоаминоформальдегидные смолы резольного типа.
В качестве вспенивающих агентов применяют газообразователи и легкокипящие жидкости. Резольные смолы отверждаются при повышенных температурах, новолачные – с помощью отвердителей. В композиции для получения пенопластов вводят поверхностно-активные вещества, антипирены, наполнители (стекловолокно, алюминиевая пудра, высокодисперсный асбест и др.).
Для повышения прочности при динамических нагрузках и снижения хрупкости исходные фенольные смолы модифицируют полиуретанами, каучуками и латексами, эпоксидными смолами и др.
Жесткие пенофенопласты на основе новолачных смол имеют марку ФФ, их кажущаяся плотность – 190…230 кг/м3. Если смола модифицирована бутадиен-нитрильным каучуком, то в этом случае пенофенопласты маркируются ФК-20, ФК-40 (кажущаяся плотность – 190…230 кг/м3). Если фенолоформальдегидная смола модифицирована бутадиен-нитрильным каучуком и содержит в качестве наполнителя алюминиевую пудру, то такой пенофенопласт имеет маркировку ВК-20-А-20 (кажущаяся плотность – 140…200 кг/м3).
Пенофенопласты со стекловолокнистым наполнителем и кажущейся плотностью 70…100 кг/м3 имеют марку ФС. Фенопенопласты имеют высокую химическую стойкость и могут работать при температурах до 150°С, а с наполнителем в виде алюминиевой пудры – до 250°С (при отсутствии контакта с воздухом – до 350…500°С).
Пенофенопласты имеют сравнительно невысокую стоимость, поэтому их довольно широко применяют в качестве тепло-, звукоизоляционного материала, в холодильной технике, судо-, вагоно- и авиастроении, а также в других областях техники.
Пенопласты на основе эпоксидных смол
(пеноэпоксиды)
Пеноэпоксиды – газонаполненные материалы на основе эпоксидных смол. Чаще всего это жесткие материалы с замкнутой структурой ячеек. Основой композиции при получении пеноэпоксидов являются смолы и отвердители. Вспенивание осуществляется в результате испарения жидкости, входящей в состав смеси (например фреона). Иногда для вспенивания применяют газообразователи. В этом случае проводят горячее отверждение, совмещаемое со вспениванием. Вспенивание можно осуществить с помощью газов, выделяющихся при взаимодействии компонентов композиции. Самым ценным качеством некоторых эпоксидных пенопластов (например эпокси-бороксиновых) является исключительно высокая температура размягчения (до 300°С) и высокая термостабильность (до 200°С в течение 48 ч).
Для получения сверхлегких пеноэпоксидов с кажущейся плотностью 20…30 кг/м3 в качестве отвердителей применяют комплексы ВF3 со спиртами, эфирами или аминами. Вспенивание осуществляется фреоном, которое происходит при комнатной температуре. Отверждение длится всего несколько минут. Получаемые полиэпоксиды имеют малую хрупкость, упруги, устойчивы к действию света, имеют белый цвет и со временем не желтеют в отличие от пенополиуретанов.
Порядок выполнения работы
1. Получить пенополистирол с различной кажущейся плотностью вспениванием гранул, содержащих низкокипящую жидкость.
1.1. Провести предварительное вспенивание гранул. Изменяя продолжительность вспенивания, получить гранулы с различной насыпной плотностью. Для этого необходимо полимер марки ПСВ (полистирол самовспенивающийся без добавок) в количестве 5…7 г рассыпать равномерно на тонкий металлический противень и поместить его в термопечь, где выдержать при температуре 102±2оС в течение 3 мин. Затем противень извлечь из печи и гранулы высыпать на лист фильтровальной бумаги (партия 1).
Описанную операцию повторить еще два раза, увеличив продолжительность предварительного вспенивания до 4 и 5 минут (партия 2 и 3).
Предварительно вспененный полистирол необходимо оставить созревать в комнатных условиях не менее 4 часов.
1.2. Определить насыпную плотность вспененных гранул.
Из каждой партии гранул взять навеску около 2 г (с точностью до 0.01 г), высыпать ее в мерный цилиндр на 100 мл и замерить объем, занимаемый гранулами. Насыпную плотность рассчитать по формуле
кг/м3 , (1.1)
где - масса гранул, кг,
- объем, занимаемый гранулами, м3.
Результаты занести в табл. 1.1.
1.3. Заключительное вспенивание.
Заключительное вспенивание провести в специальных цилиндрических формах.
Каждую партию гранул (1 – 3) засыпать в формы, предварительно смазанные мыльной пеной, до верхнего уровня. Формы закрыть, сжать и поместить на 10 – 15 минут в термопечь при температуре 110…115оС. Формы вынуть из шкафа и охладить на воздухе до комнатной температуры, после чего полученные образцы пенопласта извлечь из форм.
1.4. Определить кажущуюся плотность готовых образцов пенопласта.
Измерить размеры образцов пенопласта штангенциркулем с точностью до 0,2 мм не менее чем в трех местах, используя в дальнейших расчетах среднеарифметическое значение. Определить среднюю высоту образцов и среднюю площадь их поперечного сечения (Sо, м2). Результаты занести в табл. 1.1.
Взвесить образцы на весах с точностью до 0,01 г и рассчитать их кажущуюся плотность по формуле
кг/м3, (1.2)
где - масса образца, кг.
- объем образца, м3.
Результаты занести в табл. 1.1.
Построить график зависимости насыпной плотности гранул rн и кажущейся плотности rк пенополистирола от продолжительности предварительного вспенивания.
2. Изучить структуру пенополистирола с различной кажущейся плотностью.
2.1. Изучить и зарисовать макроструктуру пенополистирола.
2.2. Изучить структуру оболочки и центральной части ячейки пенополистирола под микроскопом.
Из середины плиты лезвием безопасной бритвы вырезать тонкий слой пенопласта. После чего полученный образец поместить на предметный столик микроскопа, выбрав объектив с семи-восьмикратным увеличением и окуляр с увеличением в 10-12 раз. В окуляр вставить стеклышко с сеткой, цена деления которой известна. Зарисовать увиденное в микроскоп изображение оболочки и центральной части ячейки пенопласта.
3. Провести испытания полученных образцов пенопласта на сжатие, построить графики зависимости силы от деформации Р = f() для образцов с различным временем предварительного вспенивания.
Поочередно провести испытания трех образцов на ручном гидравлическом прессе, фиксируя высоту образцов (h) через каждые две атмосферы по манометру.
Усилие сжатия в каждый момент определяется как произведение давления по манометру р, кгс/см2, на площадь поперечного сечения поршня, на который это давление действует (Sп » 30 см2). Для перевода силы в ньютоны это произведение надо умножить на 9,8 (можно округлить до 10).
Сила, таким образом, равна:
Р = рSп×10 Н. (1.3)
Результаты испытаний занести в табл. 1.2.
Деформацию в процессе испытаний определить по формуле
e=(Dh/h0)×100%. (1.4)
Условные напряжения в каждый момент сжатия определить по формуле
, (1.5)
где S0 – площадь поперечного сечения пенопластового образца, м2.
По результатам испытаний построить диаграммы сжатия пенопластов Р=f(e) для трех образцов (рис.1.1).
Рис. 1.1. Диаграмма сжатия пенопластов:
1, 2 – с резким изменением характера диаграммы при Рпр;
3 – без резкого изменения характера диаграммы
4. Определить условное разрушающее напряжение сжатия образцов пенополистирола.
Условным разрушающим напряжением пенопласта (пределом прочности при сжатии) называется напряжение, приводящее к резкому уменьшению начальной жесткости пенопласта.
Из диаграммы сжатия определить предельное усилие (рис. 1.1, кривые 1 и 2). При отсутствии резкого изменения характера диаграммы сжатия определить усилие , вызывающее 10%-ную деформацию образца (рис. 1.1, кривая 3).
Условное разрушающее напряжение при сжатии рассчитать по формуле
МПа, (1.6)
где - предельная нагрузка, Н;
S0 – площадь поперечного сечения образца, м2.
Напряжения сжатия при 10%-ной деформации определить по формуле
МПа, (1.7)
где – усилие сжатия при 10%-ной деформации.
5. Определить принадлежность образцов к соответствующему классу по жесткости.
Определить напряжения сжатия s50сж во всех образцах при 50%-ной деформации.
Результаты расчетов занести в табл. 1.3.
Сделать выводы о принадлежности пенопластов к тому или иному классу по жесткости (табл. 1.3).
6. Оформить отчет по лабораторной работе.
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?
пенопласта?
8. Как определяется принадлежность пенопласта к тому или иному классу по кажущейся плотности и жесткости?
Протокол экспериментов
Таблица 1.1
|
Марка исходного материала |
Время предварительного вспенивания пред. всп, мин |
Насыпная плотность , кг/м3 |
Вес образца, кг |
Диаметр образца, м |
Высота образца hо, м |
Кажущаяся плотность образца , кг/м3 |
|
3 |
||||||
|
4 |
||||||
|
5 |
Таблица 1.2
|
№ п/п, пред. всп |
Давление по манометру р, кГс/см2 |
Сила Р, Н (р Sп10) |
Высота образца h, мм |
Деформация |
Напряжение сжатия s, Н/м2 |
|
1 3 мин |
0 |
0 |
h 0= |
0 |
0 |
|
4 |
|||||
|
6 |
|||||
|
8 |
|||||
|
10 |
|||||
|
11 |
|||||
|
12 |
|||||
|
14 |
|||||
|
16 |
|||||
|
2 4 мин |
0 |
0 |
h 0= |
0 |
0 |
|
4 |
|||||
|
6 |
|||||
|
8 |
|||||
|
10 |
|||||
|
12 |
|||||
|
14 |
|||||
|
16 |
|||||
|
3 5 мин |
0 |
0 |
h 0= |
0 |
0 |
|
4 |
|||||
|
6 |
|||||
|
8 |
|||||
|
10 |
|||||
|
12 |
|||||
|
14 |
Таблица 1.3
|
пред. всп, мин |
Предельное усилие сжатия Рпр или Рс, Н |
Условные разрушающие напряжения sсж, sсж(10), МПа |
Напряжение при 50%-ной деформации s50сж, МПа |
Класс пенопластов по жесткости |
|
3 |
||||
|
4 |
||||
|
5 |
Плотность монолитного полистирола _______кг/м3.
Насыпная плотность полистирола самовспенивающегося _______кг/м3.
Лабораторная работа № 2
Входной контроль армирующих материалов КМ
Цель работы
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:
Для армирования в основном применяют следующие виды волокон:
Наиболее часто для производства деталей, узлов и агрегатов на основе полимерных матриц применяют стеклянные, органические, углеродные, борные волокна, а также тканые и нетканые материалы на их основе.
При производстве композиционных материалов с металлической матрицей применяют тонкие проволоки из стали, вольфрама, бериллия, титана, ниобия и других металлов.
На рис. 2.1 показаны диаграммы растяжения некоторых типов армирующих волокон.
Армирующие волокна могут быть ориентированными, иметь неоднородную структуру и обладать анизотропией механических свойств. К волокнам с явно выраженной анизотропией относятся органические волокна, углеродные, борные и некоторые другие волокна.
Металлические, стеклянные и некоторые другие волокна можно считать, как правило, однородными и изотропными.
В зависимости от расположения волокон в матрице можно получить анизотропные, ортотропные и квазиизотропные композиционные материалы.
Рис. 2.1. Характерные диаграммы растяжения высокопрочных
волокон, применяемых в современных композитах:1 – борных;
2 – высокомодульных углеродных; 3 – высокопрочных углеродных;
4 – органических ; 5 – S-стекла; 6 – Е-стекла
Стеклянные волокна
При сравнительно малой плотности ((2,4…2,6)∙103 кг/м3) стеклянные волокна имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, стойкость к химическому и биологическому воздействию. Этим объясняется достаточно широкое применение стекловолокна, ровингов, тканей и других материалов на основе стекловолокна для создания деталей и элементов конструкций из стеклопластиков.
Наиболее широко применяется бесщелочное алюмоборосиликатное
Е-стекло (в состав его входят оксиды SiO2, Al2O3, B2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O и некоторые другие компоненты).
Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8…3,0 мм и дальнейшим их быстрым вытягиванием до диаметра 3…19 мкм.
Форма поперечного сечения волокна может быть различной (рис. 2.2): круглой (1), трубчатой (2), в форме шестиугольника (3), квадратной (4), треугольной (5), прямоугольной (6).
Штапельное волокно получают вытягиванием непрерывного стекловолокна и разрывом его на отрезки определенной длины.
Кварцевое волокно получают, как правило, из стержней вытягиванием, так как кварц даже при температуре 2400 К имеет очень высокую вязкость, что затрудняет формирование его из расплава.
Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем, который предотвращает разлохмачивание и истирание волокон при различных видах ткацкой переработки и препятствует адсорбированию на волокнах влаги из окружающей среды. Существует два вида замасливателей: пассивные и активные (гидрофобно-адгезионные). Пассивные замасливатели (например, парафиновая эмульсия или замасливатели на основе крахмала) применяются только на стадии ткацкой переработки волокна. Перед нанесением связующего на армирующий материал эти замасливатели удаляют с помощью термической или химической обработки.
Рис. 2.2. Формы сечений стеклянных волокон:
1 – круглое; 2 – круглое полое; 3 – шестигранное; 4 – квадратное;
5 – треугольное; 6 – прямоугольное
После удаления замасливателей на поверхность волокон часто наносят аппреты (аппретирование) – вещества, способствующие созданию прочной связи на границе волокно – матрица и исключающие гигроскопичность волокон. В качестве аппретов применяют обычно кремний, органические и металлоорганические соединения. Наиболее перспективны активные замасливатели, защищающие одновременно поверхность волокна от разрушения, повышающие адгезию между стекловолокном и полимерной матрицей и улучшающие переработку волокон.
На прочность стекловолокна определяющее влияние оказывает состояние поверхности волокна, которое зависит от условий его формирования.
Стекловолокна имеют высокую термостойкость и жаропрочность. При повышении температуры до 1200 К (900С) модуль упругости кварцевого волокна возрастает с 74 (при 27С, 300 К) до 83 ГПа. Бесщелочные алюмосиликатные стекла начинают снижать свою прочность при 600 К (327С), натрий-кальцийсиликатные, борные, свинцовые и фосфатные – при
400…500 К (150…250С). Модуль упругости снижается незначительно, вплоть до температуры размягчения.
Марки и механические свойства некоторых видов стекловолокон представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Механические свойства стекловолокон
|
Марка стекловолокна |
Плотность 10-3, кг/м3 |
Модуль упругости Е |
Средняя прочность на базе 10 мм σƒ |
Предельная деформация ε , % |
|
ГПа |
||||
|
Высокомодульное: ВМ – 1 ВМП УП – 68 УП – 73 Кислотостойкое № 7 – А |
2,58 2,58 2,46 2,40 2,56 |
95 93 85 83 74 |
4,20 - - - 2,0 |
4,8 - - - 3,6 |
Стекловолокна применяются в композитах в виде жгутов и нитей из элементарных волокон, лент, тканей разнообразного переплетения, матов, холстов и других нетканых материалов.
Для изготовления изделий из стеклопластиков методом намотки промышленностью выпускаются стекловолокна в виде непрерывных жгутов (ровингов), состоящих из прядей комплексных нитей c суммарной линейной плотностью 555…4170 текс. (Текс – линейная плотность нити, определяемая как вес 1 км нити в граммах).
Тканые армирующие материалы получают путем текстильной переработки крученой комплексной нити, жгута, пряжи или ровингов. Для текстильной переработки используют стекловолокна диаметром 3…4 мкм. Тканые армирующие материалы технологичны, удобны при изготовлении крупногабаритных изделий, позволяют достигать высокого содержания арматуры в стеклопластинах.
Органические волокна
Чаще всего для производства изделий АКТ используют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидные волокна). Применяют также полиамидные (например капрон, найлон и др.) и полиимидные волокна.
Механические свойства некоторых органических арамидных волокон приведены в табл. 2.2.
Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, возможностью работать в широком температурном интервале, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, малой ползучестью.
Таблица 2.2
Механические свойства органических арамидных волокон
|
Марка волокна |
Плотность ρ10-3, кг/м3 |
Диаметр dƒ, мкм |
Модуль упругости Е |
Средняя прочность на базе 10 мм σƒ |
Предельная деформация ε, % |
|
ГПа |
|||||
|
ВНИИИВЛОН СВМ Терлон |
1,43 1,43 1,45 |
15 15 - |
110-130 125-135 130-160 |
2,1-2,6 3,8-4,2 3,3-3,6 |
3-5 3-4 2,7-3,5 |
|
Кевлар Кевлар-29 Кевлар-49 |
1,45 1,45 1,45 |
60 60-70 130-140 |
2,7 2,8-3,3 3,6-3,8 |
4,5 4,5 2,7-3.5 |
Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы, уступая по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам.
Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке. Прочность после текстильной переработки составляет 90% исходной прочности нитей, что дает возможность применять арамидные волокна в виде различных тканей.
Углеродные волокна
Углеродные волокна относятся к классу наиболее перспективных армирующих материалов, так как обладают рядом ценных и даже уникальных свойств. Они имеют низкую плотность (1,43…1,83 г/см3), высокую прочность ( до 3500 МПа) и удельную прочность, высокую жесткость (модуль упругости Е = 250…600 ГПа ) и удельную жесткость. Кроме этого углеродные волокна имеют высокую теплостойкость (в вакууме или в инертной среде), низкие коэффициенты трения и термического расширения. Они могут быть проводниками и полупроводниками.
Углеродные волокна подразделяются на карбонизированные (максимальная температура термообработки – 900…2000С, содержание углерода – 80…90%) и графитизированные (температура термообработки – до 3000С, содержание углерода – выше 99%).
Углеродные волокна получают методом термохимической переработки органических углеродсодержащих волокон:
б) гидратцеллюлозных волокон (ГЦВ) – вискозные волокна;
с) волокон, получаемых из углеродных (нефтяных и каменноугольных) пеков.
Наиболее дешевыми и доступными исходными материалами являются нефтяные и каменноугольные пеки, представляющие собой смесь олигомерных продуктов. Волокна из них формируют, пропуская расплав при температуре 100…350С через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформованное волокно вытягивают до степени вытяжки 100 000…500 000%. При этом достигается высокая ориентация макромолекул волокна.
Процесс получения углеволокна включает в себя следующие этапы:
Термохимическую обработку проводят в вакууме или инертной среде – азоте, гелии, аргоне. Для улучшения качества волокон и предотвращения усадки термохимическую обработку проводят одновременно с некоторой вытяжкой волокон (волокна должны быть в натянутом состоянии).
Существенное влияние на свойства углеродных волокон оказывает конечная температура термообработки. Изменяя ее, можно управлять свойствами волокна.
Свойства некоторых углеродных волокон и их марки приведены в
табл. 2.3.
Углеродные волокна имеют фибриллярное строение (рис. 2.3).
Характерный элемент структуры – закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму, ориентированы вдоль основного волокна, их средняя длина – (2…3)∙10-2 мкм, а диаметр – (1…2)∙10-3 мкм. Увеличение числа пор снижает прочность волокна при растяжении. Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов, условно подразделяют на две группы: высокомодульные (Е = 300…700 ГПа, σƒ = 2,0…2,5 ГПа) и высокопрочные Е = 200…250 ГПа, σƒ = 2,5…3,2 ГПа).
Получены также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости.
Углеродные волокна удовлетворительно поддаются текстильной переработке, поэтому их достаточно широко используют в виде тканей. Но довольно часто они используются и в виде ровингов, ровницы, жгутов и других видов материалов.
Таблица 2.3
Механические свойства углеродных волокон
|
Марка волокна |
Плотность ρ10-3, кг/м3 |
Диаметр dƒ, мкм |
Модуль упругости Е |
Средняя прочность на базе 10 мм σƒ |
Предельная деформация ε, % |
|
ГПа |
|||||
|
ВМН-3 ВМН-4 ВЭН-210 Кулон ЛУ-2 ЛУ-3 ЛУ-4 Урал-15 Урал-24 Элур |
1,71 1,71 - 1,90 1,70 1,70 1,70 1,5-1,6 1,7-1,8 1,6 |
7,0 6,0 9,9 - - - - - - - |
250 270 343 400-600 230 250 250 70-80 150-200 150 |
1,43 2,21 1,47 2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 3,0-3,5 1,5-1,7 1,7-2,0 2,0 |
0,6 0,8 0,4 0,4 1,0 1,1 1,3 2,1 1,1 1.3 |
Рис. 2.3. Структура углеродного волокна: А – поверхностный слой;
В – высокоориентированная зона; С – низкоориентированная зона;
1 – микрофибриллы; 2 – аморфный углерод
К недостаткам углеволокна можно отнести:
1) склонность к окислению на воздухе (особенно при температуре 300…400С);
2) высокую химическую активность при взаимодействии с металлическими матрицами;
3) возникновение электрического потенциала на границе волокон и металлической матрицы;
4) относительно слабую адгезию к полимерным матрицам.
Для устранения указанных явлений проводят исследования по нанесению на углеволокно металлических и керамических покрытий.
Борные волокна
Волокна бора являются одним из перспективных армирующих материалов композитов с полимерной и металлической матрицами. Волокна бора имеют довольно низкую плотность (2,55…2,65 г/см3), высокую прочность при растяжении в (до 3500 МПа) и сжатии, высокий модуль упругости
(Е= 380…420 ГПа), высокую твердость и износостойкость (микротвердость
– до 4000 кгс/мм2; твердость по Моосу – 9,3 ед., у алмаза эта твердость равна 10 ед.), высокую температуру плавления (2050С). Борные волокна имеют большую сдвиговую жесткость (G = 180 ГПа), пониженную тепло- и электропроводность.
Основной метод получения борных волокон – осаждение бора из газовой смеси треххлористого бора (BCl3) и водорода (Н2) на вольфрамовую нить диаметром 12 мкм при температуре 1000…1100С под давлением, близким к атмосферному. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB, W2B5 и WB) диаметром 15…17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора. Нагрев вольфрамовой нити осуществляется через ртутные электрические контакты, одновременно образующие гидравлические затворы для герметизации камеры реактора. Скорость движения волокна через реактор непрерывного действия составляет 0,8…1 м/мин. В результате осаждения получается бороволокно диаметром, как правило, 100 мкм (иногда 150 и 200 мкм).
Таким образом, борные волокна неоднородны по составу, структуре и анизотропны. Предел прочности сердцевины волокна ниже предела прочности волокна в целом. Сердцевина волокна нагружена большими сжимающими напряжениями, а бор в области, прилегающей к подложке (вольфрамовой нити), – растягивающими. Это приводит к возникновению радиальных трещин в борных волокнах вследствие больших остаточных напряжений, которые растут с увеличением диаметра волокна.
Разрушение волокон бора происходит в основном по дефектам на поверхности волокна. Поверхностное травление позволяет уменьшить дефектность волокна и увеличить его прочность. Еще большего дальнейшего увеличения прочности можно добиться соблюдением абсолютной чистоты реакционной камеры и камеры охлаждения, чтобы свести к минимуму посторонние включения в волокне.
Механические свойства некоторых типов борных волокон приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Механические свойства борных волокон
|
Марка волокна |
Плотность ρ 10-3, кг/м3 |
Диаметр dƒ, мкм |
Модуль упругости Е |
Средняя прочность на базе 10 мм σƒ |
Предельная деформация ε , % |
|
ГПа |
|||||
|
Avco (B/W) |
2,58 2,50 2,50 |
101 143 98 |
400 390-400 390-400 |
2,52 3,47 3,39 |
0,6 0,9 0,85 |
|
Hamilton Ltd.division (B/W + SiC) |
2,76 2,76 |
107 147 |
394-403 400 |
3,80 3,30 |
0,95 0,80 |
|
B/W |
2,5 |
3 |
394 |
2,95-3,5 |
0,75-0,9 |
Для повышения жаростойкости борных волокон, защиты их от воздействия некоторых металлических матриц и повышения адгезии волокон к некоторым матричным материалам волокна покрывают карбидом кремния путем осаждения из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Волокна бора, покрытые тонким слоем карбида кремния, называются борсиком.
Американские фирмы осуществляют также производство борного волокна осаждением бора на углеродное волокно. Аналогичные работы проводятся и в других странах.
Борные волокна выпускаются промышленностью как в виде моноволокон на катушках, так и в виде полуфабрикатов, представляющих собой комплексные армирующие материалы: ленты полотняного переплетения шириной от 50 до 500 мм, основа которых образована борными волокнами, а уток – полиамидными или другими волокнами.
Волокна бора находят широкое применение в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц. Композиты на основе борных волокон и алюминиевой матрицы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными материалами с полимерной матрицей. Они, например, могут работать при температуре до 370С (640 К) и перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, применяемом в металлургическом производстве.
Недостатки борных волокон
1. Прочность борных волокон имеет значительный статистический разброс. Коэффициент вариации прочности в зависимости от дефектности структуры поверхности волокон колеблется в пределах 17…36%.
2. Из-за высокой жесткости и большого диаметра борные волокна довольно ограниченно поддаются ткацкой переработке. Их используют только вдоль основы чаще всего лент, иногда тканей. Вдоль утка используют органоволокна (бороорганоленты и ткани), стекловолокна (боростеклоткани и ленты), углеволокна (бороуглеткани, ленты), комбинированные тканые материалы, например, боростеклоткани, ленты и др.
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 = 3,310-6 1/К.
Процесс производства карбидокремниевого волокна аналогичен процессу производства бороволокна. Карбид кремния осаждается на вольфрамовую нить. Температура процесса осаждения – 1100…1200С.
Металлические волокна и проволоки
Металлические волокна или проволоки наиболее экономичны и часто являются очень эффективными армирующими материалами. Для композиционных материалов, работающих при низких и умеренных температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна; для композитов, эксплуатируемых при умеренных и высоких температурах, - вольфрамовые, молибденовые волокна и волокна из сплавов тугоплавких металлов.
Проволочные волокна из сталей
Наиболее часто для изготовления тонкой высокопрочной проволоки используют коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали аустенитного, аустенитно-мартенситного классов и мартенситно-стареющие стали. В процессе изготовления проволок по оптимальным технологиям получают проволоки со значительной степенью наклепа, иногда с мартенситной структурой, а иногда дополнительно упрочненные в процессе искусственного старения.
Свойства некоторых стальных волокон приведены в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Свойства некоторых стальных волокон
|
Марка стали |
Плотность , г/см3 |
Диаметр, df, мкм |
Модуль упругости Е , ГПа |
Средняя прочность в , ГПа |
|
Сталь ВНС-9 Мартенситно-стареющие стали Н13М10К16 Н8М18К14 |
7,8
8,0 8,0 8,0 |
100-300 – // – – // – – // – |
200 200 200 200 |
3,5 – 3,8 2,8 3,5 – |
Разупрочнение наклепанных стальных проволок происходит после выдержки при температурах 350…400С. Исключение составляют проволоки из сталей ВНС-9, Н13М10К16, Н8М18К14, сохраняющие свои прочностные свойства до температур 450…500С.
Вольфрамовые и молибденовые волокна и проволоки
Вольфрамовые волокна являются достаточно технологичными для изготовления композитов, эксплуатируемых при высоких температурах. Вольфрамовыми волокнами упрочняют жаропрочные никелевые и другие сплавы. Введение в вольфрам и сплавы на его основе дисперсных частиц (окись тория ThO2, карбидов) или легирующих элементов (Re, Ti, V и др.) позволяет существенно повысить жаропрочность и снизить ползучесть.
Свойства некоторых волокон на основе вольфрама, молибдена и их сплавов приведены в табл. 2.6.
Для повышения длительной прочности вольфрамовых волокон при высоких температурах на их поверхность наносят распылением тонкие барьерные покрытия (4…12 мкм) из карбидов титана и гафния, окислов алюминия и гафния и др. Наиболее эффективным является покрытие карбидом гафния (HfC), позволяющее избежать рекристаллизации вольфрамовых волокон при температуре 1100…1200С в течение 1000 ч.
Сравнительная характеристика металлических волокон по удельной прочности и удельной жесткости приведена в табл. 2.7.
Таблица 2.6
Свойства некоторых волокон на основе вольфрама и молибдена
|
Волокна |
Диаметр, мм |
в, кгс/мм2 |
δ, % |
Е, ГПа |
|
Волокна из W |
0,050 0,13 0,25 0,51 0,76 |
330 272 238 200 179 |
- 3 2,8 4,5 |
410 |
|
W+ 3% ThO2 |
0,25 0,51 0,76 1,26 |
216 175 152 116 |
0,5 0,6 1,0 0,8 |
410 |
|
W+26%Re |
0,25 |
303 |
3,0 |
|
|
Mo+5%V Mo+5%Ti |
0,250 0,25 0,51 0,71 |
180-200 177 121 104 |
1,3 3,8 10,0 |
334 |
Таблица 2.7
Сравнительная характеристика металлических волокон
по удельной прочности и удельной жесткости
|
Проволока |
tпл, С |
Плот-ность , г/см3 |
, кгс/мм2 |
Е, кгс/мм2 |
Удельная прочность /ρ |
Удель - ная жест-кость Е/ ρ |
|
Бериллиевая Вольфрамовая Стальная Титановая |
1284 3400 1500 1668 |
1,84 19,3 7,8 4,5 |
100-130 420 360-400 150-200 |
29 000 40 000 20 000 12 000 |
55-65 21 5-51 33-41 |
15760 2073 2564 2666 |
Волокна с металлическими и керамическими покрытиями
Нанесение на неметаллические и металлические волокна очень тонких металлических покрытий может существенно улучшить свойства волокна и КМ на их основе.
Покрытия при этом могут выполнять следующие функции:
- защиту поверхности волокна от окисления и активного химического взаимодействия с поверхностью матрицы;
- защиту от воздействия тепла и высоких температур при изготовлении и эксплуатации деталей из КМ;
- повышение смачиваемости поверхности волокон (адгезии) при формировании композита;
- «залечивание» поверхностных микродефектов волокон.
Особенно целесообразно наносить покрытия на углеродные волокна в целях повышения их адгезии к матричным материалам и на борные волокна
в целях «залечивания» поверхностных дефектов волокон.
Наиболее эффективными являются металлические покрытия с хромом (Cr), молибденом (Mo), вольфрамом (W) и др., которые наносятся на углеродные волокна и ленты методом термического разложения легколетучих карбонилов перечисленных металлов при температурах 650…800С.
Применяют также покрытия из карбида кремния, карбида титана, нитридов титана или циркония.
Значения прочности и модуля упругости углеродных волокон без покрытия и с защитными (барьерными) покрытиями приведены в табл. 2.8.
Таблица 2.8
Прочность и модуль упругости углеродных волокон
в зависимости от состава и толщины барьерных покрытий
|
Материал покрытия |
Толщина покрытия, мкм |
Средняя прочность на базе 10 мм |
Модуль упругости Е |
|
ГПа |
|||
|
0,001 0,002 0,010 |
1,42/1,54 1,78/1,67 1,88/1,75 |
247/292 252/319 218/220 |
|
|
SiC |
|||
|
TiN |
0,029 0,035 |
1,73/2,26 1,15/1,45 |
244/ - 263/ - |
|
0,055 0,004 0,061 |
1,77/1,36 1,10/1,32 1,10/0,97 |
215/257 -/- 268/281 |
|
|
ZrN |
|||
Примечание. В числителе приведены значения для волокон без покрытий, в знаменателе – с покрытиями.
Оптимальная толщина металлических покрытий должна быть в пределах от нескольких десятых долей до нескольких микрон.
Например, исходная прочность углеродных волокон (2,2…3,2 ГПа) после пассивации (путем осаждения на их поверхность атомарного пироуглерода), отжига при 1000С в течение 100 ч и нанесения никелевого покрытия толщиной 1 мкм возрастает до 8 ГПа (800 кгс/мм2). При этом среднеквадратическое отклонение прочности снижается от 0,60 до 0,28 ГПа, а коэффициент вариации – от 18 до 4%.
Технологическими и пластифицирующими покрытиями волокон бора, бора с покрытием из карбида кремния, а также карбидокремниевых волокон являются покрытия из алюминия и сплавов на его основе, наносимые протягиванием волокон через расплав. Эти покрытия существенно стабилизируют прочность перечисленных волокон.
Коротковолокнистая арматура
В качестве коротковолокнистой арматуры можно использовать измельченные минеральные волокна, например волокна асбеста. Но наиболее
перспективными являются нитевидные монокристаллы или усы.
Свойства некоторых нитевидных кристаллов приведены в табл. 2.9.
Таблица 2.9
Свойства нитевидных кристаллов
|
Кристаллы |
Плотность ρ, г/см3 |
tпл, С |
, кгс/мм2 |
Е, кгс/мм2 |
Удельная прочность /ρ |
Удель- ная жест-кость Е/ρ |
|
Окись алюминия |
3,96 |
2050 |
2800 |
50 000 |
710 |
12626 |
|
Нитрид алюминия |
3,3 |
2400 |
1500 |
3 800 |
455 |
1152 |
|
Карбид кремния |
3,21 |
2650 |
3700 |
58 000 |
1150 |
18 069 |
|
Нитрид кремния |
3,18 |
1900 |
1500 |
49 500 |
472 |
15566 |
|
Оксид магния |
3,6 |
3072 |
2400 |
31 000 |
666 |
8611 |
|
Оксид бериллия |
1,8 |
822 |
1400- 1900 |
68 900 |
777- 1055 |
382777 |
Монокристаллические волокна имеют те же преимущества, что и стеклянные и борные волокна. Их предельное относительное удлинение – как у стеклянных волокон (3…4%), а модуль упругости – как у борных волокон и выше (40 000…68 000 кгс/мм2).
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:
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 1,56103 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 , 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 |
187 187 |
104 104 |
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 |
238 238 238 229 229 229 |
140 140 140 135 135 135 |
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 |
173 173 173 54 34 |
108 140 140 54 27 |
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 |
134 |
179 |
0,33 |
0,43 |
|
ТУ ПР ТС-5Н-78 |
Полотняное |
0,29 0,30 |
0,26 0,47 |
170 144 |
104 144 |
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 , 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 |
142 44,1 26,5 |
142 47 30 |
0,39 0,24 0,28 |
0,39 0,27 0,35 |
- 14 10 |
- 12 9 |
|
Рогож- ка 2/2 |
0,18 0,11 |
0,35 0,20 |
59 43 |
74 44 |
0,27 0,26 |
0,31 0,26 |
9 10 |
11 10 |
|
|
Сатиновое 8/3 |
0,16 |
0,40 |
75 |
69 |
0,26 |
0,21 |
12 |
9 |
|
|
Однона- правленная лента |
0,17 |
0,35 |
168 |
25,7 |
71 |
- |
7,5 |
- |
|
|
Кевлар-49 (США) |
Полотняное |
- |
0,45 |
140 |
130 |
- |
- |
- |
- |
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 |
- - |
300-410 300 |
0,5-0,7 0,5-0,7 |
0,1-0,25 0,05-0,1 |
- - |
- - |
|
ТКЦ-2, ТКЦ-5 с покрытием пирокарбидом циркония |
- - |
400 300 |
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 |
1150 |
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 |
650 |
0,5-0,9 |
0,4-0,6 |
4,0 |
4,0 |
Целью входного контроля является не только отбраковка некондиционных материалов, но и установление конкретных значений параметров в пределах допуска для последующей корректировки технологического процесса. Перечень мероприятий, который включает в себя входной контроль армирующих материалов, представлен в табл. 2.13.
Таблица 2.13
Входной контроль армирующего материала
|
Проверяемые параметры |
Документы для проведения контроля |
|
Товарно-транспортная накладная |
Сверка данных о грузе |
|
Масса груза, нетто |
Сверка данных о грузе |
|
Паспорт |
ГОСТ 28006-88 |
|
Маркировка мест |
«-« |
|
Упаковка армирующего материала |
ГОСТ 28006-88 |
|
Пороки армирующего материала |
«-« |
|
Ширина армирующего материала |
ГОСТ 3811-72, 3812-72 |
|
Линейная плотность, г/м |
«-« |
|
Разрушающие напряжения при растяжении и сжатии в готовых КМ |
Технологическая инструкция |
|
Толщина монослоя, мм |
Технологическая инструкция |
|
Нанос аппрета, % от массы |
ТУ6-06-И 106-83 |
|
Влажность фактическая, % от массы |
ГОСТ 6611, 4-73 |
Методика проведения входного контроля
Проверке качества армирующих материалов по порокам внешнего вида, соответствия геометрическим размерам и требованиям нормативно-технической документации подвергают 5% объема контролируемых материалов (см. табл. 2.13). Для проверки по физико-механическим показателям от партии отбирают образцы из 10% единиц упаковки. При получении неудовлетворительных результатов проверки хотя бы по одному показателю проводят повторную проверку по этому показателю удвоенного количества единиц продукции. Результаты повторных испытаний распространяются на всю партию.
Для всех видов армирующих материалов определяют содержание влаги, разрывную нагрузку и удлинение при разрыве, а для материалов, содержащих замасливатели, – содержание веществ, удаляемых при прокаливании:
- для нитей и ровингов - линейную плотность, крутку и равновесность по крутке;
- для тканей, нетканого полотна, лент – линейные размеры, поверхностную плотность, невоспламеняемость.
Для определения содержания влаги (для всех армирующих материалов) и веществ, удаляемых при прокаливании (только для стекломатериалов), от рулона (катушки) материала отматывают наружный слой, отрезают 1-2 образца массой не менее 5 г и взвешивают на лабораторных весах с точностью до 0,001 г. Каждый образец помещают в отдельный тигель или держатель с известной массой, высушивают в сушильном шкафу при температуре 1072С не менее 30 мин. После высушивания и охлаждения образцов до 18…25С их взвешивают и определяют влажность (Вп) и влагосодержание (Вс) по каждому образцу:
(2.1)
где m, m1- масса образца перед высушиванием и после него соответственно.
Для определения крутки и равновесности по крутке используют круткомер со скользящим левым зажимом. Расстояния между зажимами принимают такие: 250 мм – для нитей с круткой до 400 кручений на 1 м и 500 мм – для нитей с круткой более 400 кручений на 1 м.
При заправке нити в зажимы круткомера не допускается растягивать и раскручивать ее. Крутку нитей определяют методом непосредственного раскручивания до полной параллельности элементарных или составляющих нитей.
Равновесность по крутке находят следующим образом. От катушки отматывают и отрезают 1 м нити, зажимают концы этого отрезка пальцами, перегибают пополам, сводя концы вместе, образуют петлю. Придав петле отвесное положение, подсчитывают количество витков, образующихся по нити.
Крутку выражают количеством крученей на 1м нити, равновесность по крутке – количеством витков в петле нити.
Для определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве от рулона (катушки) материала отматывают и отрезают не менее 5 отрезков длиной по 220 мм. Для ткани и ленты из каждого отрезка вырезают полоски шириной 40 мм, для ленты – в направлении основы, для ткани – в направлении основы и утка (для ленты шириной менее 50 мм используют всю ширину ленты). Затем выдергивают с обеих сторон продольные нити так, чтобы ширина полоски была доведена до 25 мм.
Полоски ткани, ленты или отрезки нити, ровинга проклеивают бумагой по концам клеем типа БФ. Длина непроклеенного участка должна быть 802 мм. Для отверждения клея образцы выдерживают в сушильном шкафу при температуре 107 2С не менее 30 мин.
Образцы помещают в зажимы разрывной машины, расстояние между которыми 1001 мм. Скорость опускания нижнего зажима – 60…100 мм/мин.
Если в процессе испытаний определяют только разрывную нагрузку, образцы выравнивают в зажимах вручную, без подвешивания груза предварительного натяжения. Если необходимо определять и удлинение при разрыве, то после закрепления образца в верхнем зажиме к нижней его части подвешивают груз предварительного натяжения массой не более 0,25% от предполагаемой разрывной нагрузки, после чего фиксируют образец в нижнем зажиме.
Если при проведении испытаний разрыв образца произошел в зажимах или на расстоянии менее 5 мм от них, результат не учитывают и подвергают испытаниям дополнительный образец. За окончательный результат испытаний принимают среднеарифметическое результатов всех испытаний.
Для определения линейной плотности нитей и ровингов от бобины отматывают и отрезают не менее трех отрезков материала такой длины: при линейной плотности до 5 текс – 200 м; от 5 до 80 текс – 100 м; от 80 до 300 текс – 25 м; более 300 текс – 1 м. Линейная плотность нитей определяется в тексах. нити.
Каждый отрезок материала взвешивают отдельно с погрешностью не более 0,5% от взвешиваемой массы. Линейную плотность определяют по формуле
, (2.2)
где m – масса отрезка нити, г; t – его длина, м.
Для определения линейных размеров ткани (ленты) от рулона (катушки) отматывают и отрезают не менее 0,5 м материала, раскладывают на ровной поверхности и замеряют ширину ткани (ленты) в нескольких точках.
Толщину ткани (ленты) измеряют толщиномером не менее чем в пяти точках. Диаметр контактной площадки прибора должен быть равен 5…11,3 мм, удельное давление на образец в месте измерения – 0,1 МПа.
Для определения поверхностной плотности ткани и линейной плотности ленты отбирают не менее чем по 5 образцов и каждый взвешивают с погрешностью не более 0,01 г. Затем измеряют длину и ширину образцов металлической линейкой с погрешностью не более 1 мм. Поверхностную плотность ткани вычисляют по формуле
(2.3)
где m – масса образца, кг; , b – длина и ширина образца соответственно, м.
Линейную плотность ленты, кг/100 м, вычисляют по формуле
, (2.4)
где m1 – масса образца ленты, кг; – длина образца ленты, м.
За окончательный результат испытаний принимают среднее арифметическое результатов всех испытаний.
Определение невоспламеняемости ткани и ленты проводят непосредственно соприкосновением поверхности материала с открытым пламенем газовой горелки в течение не менее 1 мин. Материал считается невоспламеняемым, если пламя не распространяется за пределы участка образца, соприкасающегося с пламенем горелки, и после удаления пламени материал немедленно гаснет.
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
Протокол экспериментов
Таблица 2.14
Результаты контроля и испытания нитей (ровингов)
|
№ п/п |
Вид армирующего материала (нитей) |
Диаметр, мм |
Длина нити, м |
Вес нити, г |
Линейная плотность, текс (г/1000) |
Разрывная нагрузка, Н |
Относительное удлинение, % |
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
3 |
|||||||
|
4 |
|||||||
|
5 |
Таблица 2.15
Результаты контроля ленты
|
№ п/п |
Материал ленты |
Толщина и ширина ленты, мм |
Длина ленты, м |
Вес ленты, кг |
Линейная плотность, кг/100 м |
Невоспла- меняемость |
|
1 |
||||||
|
2 |
Таблица 2.16
Результаты контроля тканей
|
№ № п/п |
Тип и марка ткани |
Толщина, мм |
Поверхностная плотность, кг/м2 |
Предел прочности в, кгс/мм2 |
Относи-тельное удлинение , % |
Количество нитей в 10 мм |
Нево-спламеняе- мость |
|
|
Основа |
Уток |
|||||||
|
1 |
||||||||
|
2 |
||||||||
|
3 |
||||||||
|
4 |
Лабораторная работа № 3
Технология производства деталей, узлов и агрегатов из КМ,
приготовление полимерных матричных материалов
для ПКМ и определение их технологических параметров
Цель работы
Содержание работы
Технология производства деталей, узлов и агрегатов из ПКМ
включает в себя следующие основные операции (этапы):
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…150С 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:
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:
7. Контроль качества изделий.
1. Текущий (технологический) контроль:
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:
Причины коробления:
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:
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:
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
Большую часть полиэфирных смол используют в качестве матричных материалов при производстве деталей, узлов и агрегатов из стеклопластиков в авиационно-космической технике, кораблестроении, автомобилестроении, общем машиностроении и при производстве товаров народного потребления. Это объясняется низкой себестоимостью и доступностью исходных компонентов КМ и высокими физико-механическими свойствами стеклопластиков.
Полиэфиры также широко применяются как ненаполненные полимеры для изготовления различных электроизоляционных деталей электротехнического и радиотехнического назначения, деталей медицинского оборудования, для производства полиэфирных лаков и эмалей, клеев и для других целей.
Полиэфиры выпускаются отечественной промышленностью в виде
50…70%-ных растворов полиалкиленгликольмалеинатов (ПМ) и полиалкиленгликольфумаратов (ПФ) в различных мономерах и олигомерах (ненасыщенные полиэфирные смолы), т.е. в виде продуктов, пригодных к непосредственному использованию. В зависимости от состава, химического строения и молекулярной массы ПМ и ПФ могут быть вязкими жидкостями или твердыми веществами различной окраски (бесцветные, светло-желтые, янтарные, темно-красные, коричневые), их плотность 1,1…1,5 т/м3 (г/м3). ПМ и ПФ отверждают, сополимеризуя их с различными мономерами (стиролом, метилметакрилатом, винилтолуолом, хлорстиролом) или олигомерами. Мономеры и олигомеры являются, как правило, растворителями полиэфиров и кроме того «сшивающими агентами», так как сополимеризуются с ПМ и ПФ с образованием трехмерных сополимеров с сетчатым строением. Отверждение проводится в присутствии перекисных инициаторов (перекиси бензоила, метилэтилкетона (МЭК) или циклогексанона, гидроперекиси кумола и др.) при 80…150С. При использовании ускорителей отверждение можно проводить при 20…30С и даже при более низких температурах (ускорители – диметиланилин, диэтаноланилин, некоторые соли Со и V, аскарбиновая и диоксималеиновая кислоты и др.). Количество ускорителей колеблется в пределах 0,5…3%.
Рабочие температуры отвержденных полимеров 20…100С. Сополимеризацией полиэфиров с полифункциональными мономерами можно получить сополимеры, у которых в значительной мере сохраняется прочность при нагревании до температур выше 200С.
Физико-механические свойства некоторых полиэфирных матричных материалов приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Физико-механические свойства полиэфирных матриц
|
Марка смолы |
Плотность смолы, г/см3, т/м3 |
Тепло-стойкость по Мартенсу, К |
Прочность, МПа |
Предельная деформация при растяжении, % |
Ударная вязкость, кДж м-2 |
|
|
при рас-тяжении |
при сжатии |
|||||
|
ПН-1 ПН-3 ПНМ-2 ПН-6 ПН-8 ПНМ-8 ПН-10 ПН-11 ПН-15 ПН-16 ПН-62 ПН-63 НПС-609-21М НПС-609-27 ЗСП-3 ПН-59 Силокрил-1 ПН-40 |
1,12-1,16 1,12-1,16 1,15-1,17 1,31-1,32 1,08-1,10 1,12-1,14 1,09 1,18-1,20 1,04-1,06 1,03-1,045 1,26-1,29 1,29-1,31 1,20-1,30 1,22 1,20-1,25 1,10-1,11 1,03-1,20 1,15-1,16 |
316-318 323-328 331 - - 341 371 340 - 323 337 353 323-343 - 363-368 - 363-378 333-343 |
39-44 44-54 - 25-39 44-54 - - 25 44-74 47 25-34 25-34 39-59 50 60-69 - 43-47 69-79 |
79-108 79-123 113-132 103-128 88-108 98-108 98-108 83-108 120-132 - 79-123 137 98-137 - - |
5-8 - 2,7-4,5 0,5-0,9 3-5 - 0,5-0,8 - 1,5-2 4-4,5 1-2 1-2 2-3 162 98-132 59-78 125-134 - |
6-10 7-11 12-14 2-3 7-15 2-3 2-3 5-6 4-5 5-7 3-5 3-5 3-7 4 2-3 54-98 2 5-7 |
Исходя из свойств в отвержденном состоянии полиэфирные смолы (ПС) бывают пяти типов:
1) ПС общего назначения (ПН-1, ПН-2, НПС-609-21М и др.), применяют в основном в судостроении;
2) ПС с малой усадкой (3 СП-3, ПН-40 и др.), применяют для изготовления деталей автомобилей и бытовых электроприборов;
3) ПС, устойчивые к атмосферным воздействиям (ПНИ-2, ПН-8 и др.), применяют в строительстве для изготовления наружных панелей, фонарей крыш и др.;
4) химически стойкие ПС (ПН-6, ПН-10, ПН-11 и др.), применяют в химической промышленности (трубопроводы, химические реакторы и емкости, вытяжные шкафы и др.);
5) огнестойкие и самозатухающие ПС (ПН-62, ПН-63 и др.), используют в деталях электрического оборудования, судостроении, строительстве и др.
Отвержденные полиэфирные смолы отличаются высокой водостойкостью, стойкостью к воздействиям минеральных масел, неорганических кислот, многих органических растворителей. Значительно ниже их стойкость к действию щелочей, хлорсодержащих растворителей и углеводородов.
Адгезионная прочность связи полиэфирных связующих со стекловолокном значительно ниже, чем эпоксидных и фенолоформальдегидных смол, и составляет 9,8…14,7 МПа.
Полимерные связующие на основе эпоксидных смол
Эпоксидные смолы и многокомпонентные связующие на их основе широко применяются в качестве матричных материалов при производстве деталей, узлов и агрегатов АКТ из ПКМ. Это объясняется их высокой адгезией к большинству армирующих материалов, их малой усадкой при отверждении, достаточно высокой когезионной прочностью в отвержденном состоянии, высокой химической стойкостью и рядом других положительных свойств.
Эпоксидные смолы – олигомеры, содержащие в молекулах эпоксидные или глицидиловые группы и способные превращаться в полимеры пространственного (сетчатого) строения. Эпоксидные группы могут находиться в алифатических циклах или цепях, глицидиловые группы – чаще всего на концах цепей.
Существует большое разнообразие эпоксидных смол. Наиболее распространены так называемые диановые эпоксидные смолы (на основе дифенилпропана или диана).
Диановые эпоксидные смолы – вязкие жидкости или твердые хрупкие вещества от светло-желтого до коричневого цвета; растворяются в толуоле, ксилоле, ацетоне, смесях кетонов со спиртами. Диановые эпоксидные смолы маркируются следующим образом: ЭД-5 ЭД-8, ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22. Чем выше порядковый номер, тем ниже вязкость олигомера, поэтому в качестве связующих для ПКМ применяют смолы марок ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 и др.
Благодаря высокой реакционной способности эпоксидных и гидроксильных групп в качестве отвердителей эпоксидных смол можно использовать мономерные, олигомерные и полимерные соединения различных классов и, таким образом, в широком диапазоне варьировать режимы отверждения (температура, время) и свойства получаемых трехмерных полимеров.
Для холодного отверждения эпоксидных смол в качестве отвердителей применяют алифатические полиамины, чаще всего полиэтиленполиамины (ПЭПА) или гексаметилендиамины (ГМД) в количестве 5…15% от массы смолы. Жизнеспособность композиций с такими отвердителями при 15…25С составляет 1 3 ч, длительность отверждения 24 ч (хотя степень отверждения продолжает увеличиваться еще в течение 10 30 суток). Степень отверждения при комнатной температуре не превышает 65…70%. Для ее повышения и улучшения и стабилизации свойств продуктов отверждения проводят термообработку при 60…120С в течение 2 12 часов.
Основные недостатки процессов холодного отверждения:
1) повышенная хрупкость отвержденной смолы (необходимо применять пластификаторы, что снижает прочностные свойства);
2) токсичность отвердителей холодного отверждения;
3) необходимость экспериментальной корректировки и точной дозировки отвердителей;
4) высокая экзотермичность реакции отверждения, что может приводить к перегреву и деструкции полимера, снижению прочности и растрескиванию отвержденного полимера.
При производстве ПКМ чаще всего применяют отвердители горячего отверждения. В качестве отвердителей чаще всего применяют ароматические диамины и полиамины в количестве 15…50% от веса смолы. Отверждение проводят при 100…180С в течение 16…4 ч. Продукты отверждения отличаются повышенной механической прочностью, тепло- и химической стойкостью.
Для горячего отверждения эпоксидных смол используют, например, такие ангидриды дикарбоновых кислот: фталевый ангидрид (ФА), малеиновый ангидрид (МА), метилтетрагидрофталевый ангидрид (МТГФА) и др. Количество отвердителя составляет 50…100% от массы смолы. Кроме указанных отвердителей в состав связующего вводят 0,1…2% катализаторов отверждения. Отверждение проводят при 120…180°С в течение 24 12 ч. Продукты отверждения имеют повышенные механические свойства, высокую термо- и влагостойкость, повышенные диэлектрические свойства.
В качестве отвердителей горячего отверждения применяют также фенолоформальдегидные (резольные и новолачные) смолы, мочевино- и меламиноформальдегидные смолы в количестве 25…75% от массы эпоксидной смолы. Отверждение проводят при 150…210°С от 12 ч до 10 мин.
Объемная усадка эпоксидных смол при отверждении составляет
2…8%. При отверждении эпоксидных смол не выделяются летучие вещества, что определяет сравнительную простоту технологии их переработки.
В качестве матричных материалов в ПКМ применяется большое количество комбинированных и многокомпонентных связующих на основе диановых эпоксидных смол. Маркировка, состав, применяемые отвердители и механические свойства после отверждения ряда связующих на эпоксидной основе приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
на основе эпоксидных смол
|
Марка связующего |
Смола или состав связующего и вид отвердителя |
Прочность, МПа |
Ударная вязкость, кДж 10-2 |
|
|
при растяжении |
при сжатии |
|||
|
ЭД-16 ЭД-20 |
Эпоксидная смола + малеиновый ангидрид (МА) |
59-88 - |
127-157 147-167 |
29-33 15-18 |
|
К-54/6 |
ЭД-20 + диэтиленгликольмалеинатфталат + полиэтилендиамин (ПЭД) |
- |
108 |
14 |
|
К-115 |
Эпоксидиановая смола + олигоэфиракрилат (МГФ-9) + полиэтиленполиамин (ПЭПА) |
- |
108 |
10-13 |
|
К-153 |
Эпоксидиановая смола + МГФ-9 + тионол + гексаметилендиамин (ГМДА) |
39-40 |
88 |
8-10 |
|
К-201 |
Эпоксидиановая смола + МГФ-9 + ПЭПА |
- |
89 |
15 |
|
УП-63 |
Продукт конденсации эпихлоргидрина с фурфурилрезорцином + МТГФА + диметиламинометилфенол (УП-606/2) |
98-108 |
177 |
20-25 |
|
РЭС-3 |
Продукт конденсации эпихлоргидрина с резорцином + изометилтетрагидрофталевый ангидрид (Изо-МТГФА) |
108 |
137 |
22 |
|
УП-546 |
Продукт конденсации эпихлоргидрина с резорцинфурфурольным новолаком + МА |
69-88 |
186-196 |
12-17 |
|
УП-610 |
Продукт конденсации эпихлоргидрина с аминофенолом + ароматический амин (АА) |
59-69 |
235-255 |
11-18 |
|
УП-632 |
Диокись циклического сложного эфира + смесь ангидридов кислот АА |
46-48 |
157-182 |
9-10 |
|
ЭА |
Эпоксидная смола + МА |
- |
166-176 |
15-18 |
Теплостойкость по Мартенсу большинства отвержденных матричных
материалов в пределах 50…100°С. Особо высокой теплостойкостью
(180…250°С) отличаются матричные материалы УП-610, УП-612, УП-632. Твердость по Бринеллю большинства отвержденных связующих находится на уровне 90…100 кгс/мм2, повышенную твердость имеют связующие К-54/6 (НВ=177…197 кгс/мм2) и ЭА (НВ=295…344 кгс/мм2). Водопоглощение за 24 часа для большинства связующих составляет 0,03…0,08%.
Фенолоформальдегидные смолы применяют в качестве связующего благодаря хорошо налаженному и относительно простому их производству, низкой себестоимости и сочетанию таких ценных свойств в отвержденном состоянии, как теплостойкость, жесткость, химическая стойкость и др. Для производства ПКМ используют как термореактивные, так и термопластичные смолы. Последние отверждаются с помощью отвердителей. Смолы используют в виде спиртовых растворов, водных дисперсий и порошков.
Вследствие значительной хрупкости, относительно низкой адгезии к некоторым армирующим материалам фенолоформальдегидные смолы в чистом виде в ПКМ применяются редко, а чаще в композициях с другими смолами. Для получения КМ с высокими прочностью, теплостойкостью, устойчивостью к действию кислых и щелочных сред чаще всего применяют фенолоформальдегидные смолы в композиции с эпоксидными смолами.
Типы и марки применяемых фенолоформальдегидных связующих:
а) на основе бакелитового лака (Р-2М смола общего назначения, модифицированная поливинилбутиралем и анилином; Р-2Ц быстроотверждающаяся смола, модифицированная эфирами целлюлозы);
б) фурфурилфенолоформальдегидные смолы ФФП, ФФ-1С и др;
в) фенолоформальдегидные твердые смолы (СФ-341 – порошок от желтого до коричневого цвета, СФ-342 – анилиновая смола конструкционного назначения для теплоизоляционных деталей; СФ-010 – новолачная смола и др.)
д) гексафенольные твердые смолы СФ-3045, СФ-3046, применяются для изготовления гибких пластиков и др.
Кремнийорганические смолы (полиорганосилоксаны) отличаются от других смол высокой теплостойкостью и возможностью работать в широком интервале температур (173…623 К). Кроме этого они проявляют высокую химическую стойкость по отношению к различным органическим растворителям, за исключением ароматических и хлорированных растворителей. Низка их стойкость и к минеральным маслам. Смолы обладают хорошими диэлектрическими свойствами.
Адгезия кремнийорганических связующих к волокнам составляет
14,6…18,6 МПа. Однако их когезионная прочность относительно невелика, поэтому механическая прочность кремнийорганических ПКМ значительно ниже полиэфирных, фенолоформальдегидных и эпоксидных. Значительные давления формования, длительный цикл отверждения и высокая стоимость полимеров ограничивают применение кремнийорганических связующих областью электроизоляционных и теплозащитных ПКМ.
В производстве ПКМ используют смолы марок К-9, К-31, полиметилсилоксановые лаки КО-554, КО-812 и др. Смола К-9 имеет температуру размягчения 333…358 К и продолжительность отверждения 50-180 мин при температуре 473 К (200°С). Лак КО-812 представляет собой толуольно-ацетоновый раствор продуктов гидролитической поликонденсации метилтрихлорсилана, бесцветный или желтого цвета с содержанием сухого остатка 40±3%.
Для изготовления деталей конструкционного, радио- и электротехнического назначения довольно широко применяются термопластичные смолы; полиэтилены, полипропилены, фторопласты, полиэтилентерефталаты, поликарбонаты, полиамиды алифатические и ароматические. ПКМ на основе термопластичных матричных материалов имеют высокую технологичность, химическую стойкость ко многим органическим растворителям и кислотам и другие положительные свойства.
Физико-механические свойства некоторых термопластичных матриц приведены в табл. 3.3.
Сравнительно недавно были разработаны связующие нового типа, получившие название роливсанов, которые дают возможность сочетать высокую теплостойкость композита и легкую перерабатываемость связующего.
Основные химические и технологические особенности роливсанов состоят в том, что введение термостойких структур в молекулярные цепи связующего перенесено со стадии синтеза мономерно-олигомерных композиций и жидкофазного формирования на стадию дополнительной обработки готового изделия после придания ему заданной формы.
При этом стадия формирования свободна от высокоплавких веществ, растворителей и побочных летучих продуктов, что делает излишним применение при переработке высоких температур и значительных давлений.
Роливсаны состоят из дивинилароматических соединений и отверждаются полимеризационно-поликонденсационным методом. На стадии формирования изделия протекает трехмерная совместная полимеризация ненасыщенных компонентов системы. Полностью сформированную конечную термостойкую структуру матрица на основе роливсанов приобретает на стадии последующей термообработки при температуре больше 450 К или облучения мощной дозой ускоренных электронов. При этом образуется сетчатый сополимер с теплостойкостью 670…700 К.
Таблица 3.3
Физико-механические свойства термопластичных матриц
|
Полимер, марка материала |
Мо-дуль упру-гости Е10-2, МПа |
Прочность, МПа |
Предельное удлинение, % |
Ударная вязкость, кДжм-2 |
Твердость по Бринеллю |
|
|
при растяжении |
при сжатии |
|||||
|
Полиэтилены: высокого давления низкого давления среднего давления Полипропилен Полистирол Политетра-фторэтилены: фторопласт-4М фторопласт-40 Полиэтиле-ноксиды: гомополимер сополимер Полиамиды: ПМ-67 ПМ-69 ДФО Полиамиды алифатические: 610 литьевой П-12А литьевой Капролон-В Полиамиды ароматические: фенилон П фенилон С1 фенилон С2 |
- 6-8,5 8-12,5 - 30 3,5 - 29 22-30 24-28 - - 15-17 16-18 20-23 - - - |
10-17 20-45 18-40 25-40 35-45 16-31 27-50 68-71 65-70 57-70 120-140 95-125 50-60 40-55 90-95 90 100 120 |
12 20-36 - 50-70 80-100 20 - 110-130 105-145 80-90 200-230 210-240 70-90 60-63 100-110 320 220 22 |
400-600 300-800 200-1300 200-800 1,5-3 250-400 150-400 - 15-20 50-100 9-20 4-7 100-150 200-280 6-20 4 5 6 |
- 2-150 7-120 33-88 20-30 125 125 90-120 5-9 120-140 60-120 100 80-90 100- 150 20 20 35 |
14-25 45-60 60-80 40-70 140-160 30-40 58-63 150-180 100-130 110-160 180-280 200-270 100-150 75 130-150 180-220 180 220 |
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
|
Наименование компонентов |
Марка связующего |
||||
|
5-211-Б, мас.ч. |
5-211БН, мас.ч. |
ЭНФБ, мас.ч. |
ЭНФБ-М, мас.ч. |
ЭНУП, мас.ч. |
|
|
Смола эпоксидная ЭД-20 |
100 |
50 |
- |
- |
- |
|
Смола эпоксидная УП-631У |
- |
50 |
- |
- |
50 |
|
Смола эпоксидная ЭН-6 |
- |
- |
до 6 |
до 6 |
- |
|
Смола СФ-341А |
70 |
70 |
100 |
100 |
100 |
|
Фурфурилглицидиловый эфир |
- |
- |
20 |
20 |
- |
|
Катализатор УП-605/3 |
- |
- |
3,6 |
6,3 |
4,5 |
|
Спиртоацетоновая смесь 1:1 |
170 |
170 |
- |
- |
- |
|
Спиртоацетоновая смесь 1:2 |
- |
- |
130 |
130 |
- |
|
Ацетон |
- |
- |
- |
- |
155 |
Содержание армирующего материала в КМ не может превышать определенной величины. Величина эта определяется условиями смачивания всех волокон арматуры в процессе производства КМ и совместности работы арматуры в готовом изделии.
Отношение объема волокон (арматуры) к объему КМ, выраженное в процентах, называется степенью армирования. Степень армирования редко превышает 75%.
Рекомендуемое содержание связующего в КМ с различными армирующими материалами и материалами матриц приведено в табл. 3.5.
Для определения потребного количества компонентов связующего, необходимого для пропитки армирующего наполнителя заданного типа, надо в первую очередь определить общее количество связующего. Для этого можно воспользоваться данными табл. 3.5 по нормированному содержанию связующего в готовом КМ.
Таблица 3.5
Содержание связующего в КМ
Армирующий материал |
Марка связующего, содержание смолы, % |
||
|
5-211Б, 5211БН |
ЭНФБ, ЭНФБ-М |
ЭНУП |
|
|
Лента углеродная |
30-36 |
32-38 |
32-38 |
|
Т-10-80 |
28-34 |
32-34 |
- |
|
Т-13 |
37-45 |
- |
- |
|
А-1, А-2, Э-100 |
28-35 |
32-38 |
- |
С учетом неизбежных технологических потерь (10…15%) потребное количество связующего Мс для пропитки армирующего материала можно вычислить по формуле
Мс =(Ма + Мс) Кс Кn 0,01, (3.1)
где Мс - масса необходимого для пропитки связующего, кг;
Ма - масса пропитываемого армирующего материала, кг;
Кс - процентное содержание связующего в КМ;
Кn - коэффициент технологических потерь (1,1…1,15).
Решив уравнение (3.1) относительно Мс, получим формулу, необходимую для расчета Мс (Мс (1- Кс Кn 0,01) = Ма Кс Кn0,01):
. (3.2)
Количество каждого компонента многокомпонентного связующего определяют из соотношения
(3.3)
где Мi – масса искомого компонента связующего, кг;
Мс – масса необходимого для пропитки связующего, кг;
mi – удельное массовое содержание искомого компонента в рецептуре связующего (см. табл. 3.4), мас.ч.
Примечание. При определении необходимого количества связующего по формуле (3.2) и его компонентов по формуле (3.3) содержание растворителя не учитывают. Необходимое количество растворителя для приготовления 50% -ного раствора определяют по табл. 3.4.
Приготовление связующих
Перед употреблением все компоненты связующего должны пройти входной контроль на соответствие паспортным данным.
Связующие готовят партиями. За партию принимают количество связующего, изготовленного при одной загрузке реактора.
Кроме основного компонента – смолы, в связующее в зависимости от его назначения и физико-химических свойств вводят отвердители, катализаторы, ускорители, пластификаторы и пигменты. Чтобы придать связующему необходимую технологическую вязкость, вводят растворители. Обычно для пропитки армирующих материалов связующими на основе эпоксидных смол и их смесей с другими смолами применяют растворы 50%-ной концентрации.
Перед смешиванием компонентов связующих необходимо подготовить некоторые из них. Анилинофенолформальдегидную смолу СФ-341А в целях ускорения растворения подвергают измельчению на дробилке так, чтобы диаметр кусков не превышал 0,5 см. Смолы ЭН-6 и УП-631У охлаждают до температуры 5…10С для улучшения условий отбора необходимого материала. Остальные компоненты какой-либо подготовки не требуют.
Связующие в производственных условиях готовят в эмалированном (или из нержавеющей стали) реакторе емкостью 20…50 л с мешалкой, работающей со скоростью 60…80 об/мин, с люком для загрузки и нижним сливным краном. До и после приготовления связующего аппарат промывают ацетоном.
В реактор при работающей мешалке заливают расчетное количество растворителя и загружают все остальные компоненты в произвольном порядке. Смесь компонентов тщательно перемешивают в течение 1 3 часов до получения гомогенного раствора. Приготовление связующего проводят при температуре 18…25С и относительной влажности воздуха не более 75%. Приготовленное связующее сливают через фильтр в чистую, тщательно высушенную металлическую тару с герметической крышкой и снабжают ярлыком.
Для качественной пропитки армирующего материала и равномерного распределения связующего в КМ последнее должно иметь определенные технологические параметры, которые контролируются перед совмещением компонентов.
связующего
Контроль связующего проводят для каждой партии по окончании приготовления, а также после хранения ранее приготовленного связующего перед пропиткой армирующего материала. Основными технологическими параметрами, которые необходимы для расчета режимов пропитки, являются концентрация раствора, его плотность, вязкость, поверхностное натяжение и угол смачивания.
Концентрацию раствора связующего определяют по результатам измерений плотности и температуры. Плотность определяют ареометром с точностью до 0,001 г/см3 , температуру – термометром с точностью до 0,5С.
Для определения плотности раствор связующего наливают в мерный цилиндр и осторожно опускают в него ареометр так, чтобы его нижний край на 1,5…2 см не доставал до дна цилиндра, и проводят замер плотности.
Зная плотность связующего, можно определить его концентрацию по табл. 3.6, а для связующего 5-211Б – по номограмме рис. 3.1.
Рис. 3.1. Номограмма для связующего 5-211 Б
Для получения требуемой концентрации раствора (табл. 3.6) пользуются так называемым правилом «креста». Если построить «крест», то заданную концентрацию раствора необходимо записать в месте пересечения двух линий.
Таблица 3.6
|
Марка связующего |
Плотность связующего при температуре 20С, г/см3 |
Концентрация связующего при температуре 20С, % |
|
5-211Б |
0,92-0,99 |
45-54 |
|
5-211БН |
1,001-1,021 |
48-52 |
|
ЭНФБ |
0,977-1,030 |
48-55 |
|
ЭНФБ-М |
0,977-1,030 |
48-55 |
|
ЭНУП |
0,998-1,040 |
45-52 |
Исходные концентрации двух смешиваемых растворов (для растворителя концентрация равна нулю), которые получены в результате измерений, записывают друг под другом у пересекающихся линий слева; затем эти концентрации вычитают из заданной, написанной в центре, полученные значения (по модулю) записывают по диагонали справа. Эти числа указывают, сколько частей (по массе) имеющегося раствора следует взять, чтобы получить раствор заданной концентрации.
Пример. Имеется 60%-ный раствор А и 48%-ный раствор Б. Требуется изготовить n кг 50%-ного раствора С для пропитки.
Согласно правилу «креста» имеем
60% 2 мас.ч. 60%-ного раствора А
50
48% 10 мас.ч. 48%-ного раствора Б
Для получения n кг 50%-ного раствора С необходимо взять раствора А=2n/12 кг и раствора Б=10n/12 кг.
При регулировании концентрации раствора связующего с помощью растворителя концентрацию последнего принимают равной нулю.
Вязкость раствора связующего определяют методом падающего шарика. Для этого в мерный цилиндр наливают раствор связующего и замеряют высоту столба жидкости. Шарик подносят к поверхности раствора, бросают и замеряют время его падения. При падении шарика в растворе связующего движущая сила
, (3.4)
где rш – радиус шарика, м; ш, с – плотность материала шарика и связующего, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.
Силу сопротивления движению при падении шарика с постоянной скоростью можно определить по формуле Стокса
, (3.5)
где - скорость падения шарика, м/с;
- вязкость раствора, Пас.
При установившемся движении Fd =Fc, тогда из (3.4) и (3.5) можно определить вязкость связующего
(3.6)
Выражение (3.6) позволяет найти вязкость связующего с точностью, достаточной для технологических расчетов.
Поверхностное натяжение связующего определяют методом взвешивания капли. В основе метода лежит положение, согласно которому масса капли mк, отрывающейся под действием силы тяжести от кончика вертикальной трубки, пропорциональна поверхностному натяжению жидкости на границе с воздухом. При этом сила тяжести уравновешивается силой поверхностного натяжения, действующей по окружности капли вертикально:
mkg=2rk, (3.7)
где mк – масса капли, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; rк – радиус капиллярной трубки, м; - поверхностное натяжение исследуемого раствора, Н/м.
Разрешив выражение (3.7) относительно , получим
(3.8)
Расчет поверхностного натяжения проводят, измерив массу капли по формуле (3.8) с помощью сталагмометра – прибора (рис. 3.2), заполненного исследуемым раствором и обеспечивающего свободное падение капель под действием силы собственного веса в результате превышения ею сил поверхностного натяжения в момент отрыва капли.
Прибор состоит из штатива 1, на котором с помощью держателя 2 закреплена изогнутая стеклянная трубка 3, свободная для проникновения раствора с одной стороны и имеющая резиновую грушу 4 на другом конце.
С помощью груши осуществляют заправку сталагмометра исследуемым раствором связующего. Затем, слегка придавливая грушу, по каплям собирают раствор в предварительно взвешенный сосуд 5, одновременно подсчитывая количество капель. Массу одной капли можно определить из соотношения
, (3.9)
где mк – масса одной капли; М1- масса сосуда с каплями; М0 – масса сухого сосуда; n – количество капель в сосуде. Вместо сталагмометра можно использовать обычную пипетку с известным радиусом капиллярной трубки.
Смачиваемость твердого тела жидкостью характеризуется значением краевого угла смачивания. На границе раздела твердое тело – газ сила, действующая вдоль поверхности раздела, стремится растянуть каплю по этой границе, а сила, действующая на границе твердое тело – жидкость, – стянуть ее. Наконец, сила, действующая на границе жидкость – газ, направлена по касательной к поверхности жидкости. Касательная образует с поверхностью твердого тела в точке соприкосновения трех фаз угол , называемый углом смачивания. Условно этот угол измеряется в сторону жидкости (рис. 3.3).
а б в
Рис. 3.3. Краевые углы смачивания: а – смачивание ( 900);
б – переходный случай ( = 900); в – несмачивание ( 900С)
Для определения угла смачивания необходимо на предметный стол установить пластинку исследуемого материала (предварительно тщательно зачищенную и обезжиренную), включить проектор и убедиться в том, что пластинка установлена параллельно лучам проектора.
На поверхность пластинки необходимо нанести из пипетки каплю исследуемого раствора и отметить на экране следы поверхности пластинки и капли раствора. Далее необходимо построить касательную к следу капли в точке соприкосновения трех фаз (твердого тела, жидкости и воздуха) и произвести замер краевого угла смачивания транспортиром.
Порядок выполнения работы
1. Изучить и законспектировать содержание работы.
2. Определить необходимое количество связующего и его компонентов (табл. 3.4, 3.5 и формулы (3.2), (3.3) для пропитки заданного количества армирующего материала. Для этого получить у преподавателя марку связующего (см. табл. 3.4), вид и марку армирующего материала (см. табл. 3.5) и количество армирующего материала в килограммах.
Пример формулировки задания:
Определить количество связующего типа 5-211-Б и его компонентов, необходимое для пропитки 20 кг стеклоткани Т-10-80. Определить необходимое количество растворителя и его состав для получения 50%-ного раствора. Определить общий вес 50%-ного раствора связующего.
Результаты занести в табл. 3.7 протокола экспериментов.
3. Для заданного раствора связующего типа 5-211-Б экспериментально определить:
а) концентрацию раствора связующего (использовать ареометр, термометр и номограмму – рис. 3.1);
б) вязкость раствора связующего методом падающей капли;
в) поверхностное натяжение связующего методом взвешивания капли.
Результаты экспериментов и расчетов занести в табл. 3.8.
4. По определенной концентрации связующего типа 5-211-Б, пользуясь правилом «креста», определить необходимое количество заданного раствора связующего и растворителя для получения 50%-ного раствора связующего, по весу равного количеству 50%-ного раствора, определенному по п. 2 данного порядка выполнения работы.
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности производства деталей, узлов и агрегатов из КМ?
2. Что представляют собой основные этапы технологии производства деталей, узлов и агрегатов из ПКМ? Дайте характеристику видов внутренних напряжений в деталях из ПКМ.
3. Каковы особенности контроля качества изделий из ПКМ и их механической обработки?
4. Какие матричные материалы применяются при производстве ПКМ для АКТ?
5. Из каких условий определяется содержание основных компонентов ПКМ? Что называется степенью армирования?
6. Как рассчитывается количество исходных компонентов в составе связующего?
7. Какие технологические параметры связующего контролируются в процессе его приготовления?
8. Как определить концентрацию раствора и довести ее до необходимой?
9. Как определяется вязкость раствора и в каких единицах она выражается?
10. Как определяется поверхностное натяжение раствора, в каких единицах оно выражается?
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 |
|||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||||||
|
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.
2. 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
|
Технологические параметры связующего |
|||
|
Плотность, кг/м3 |
Концентрация, % |
Вязкость, Пас |
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
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
Важнейшее преимущество композиционных материалов – возможность создания из них деталей, узлов и элементов конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отражающими характер и условия работы.
Многообразие армирующих и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяют направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства.
Производство и применение деталей из КМ позволяют использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса. Это позволяет создавать детали и узлы с оптимальным распределением сил и напряжений с учетом условий работы, т.е. можно создавать равнопрочные во всех сечениях детали с высокой удельной прочностью.
Отсюда вытекает особая значимость этапа расчета и проектирования деталей, узлов и элементов конструкций из КМ.
Теоретический расчет деталей, узлов и элементов конструкции не только сложен, но и не вполне реалистичен. Это объясняется микронеоднородностью самого материала (арматура – матрица), наличием большого количества слоев с различной ориентацией арматуры, наличием слоев с разным составом и ориентацией арматуры, анизотропностью свойств, условий взаимодействия слоев и другими факторами.
Поэтому схема расчета в общем случае сводится к следующему.
Предполагается, что композиционные материалы в пределах отдельного слоя являются условно однородными и обладают некоторыми осредненными свойствами, которые могут быть теоретически рассчитаны и определены экспериментально. При этом проводятся испытания на растяжение, сжатие, межслойный сдвиг, кручение, изгиб различных по форме стандартных образцов (плоских, кольцевых, целых и надрезанных, стержневых, трубчатых, образцов с надрезом и других) с различными схемами нагружения.
Принимая во внимание большое разнообразие слоистых структур, которые могут быть образованы даже из одного вида армирующего материала, и связанную с этим трудоемкость экспериментальных исследований, экспериментальное определение характера взаимодействия слоев провести очень трудно. Поэтому характеристики системы слоев устанавливаются расчетным путем на основе анализа взаимодействия слоев. Причем эти характеристики в явном виде зависят от макроструктурных параметров материала.
Для этого рассматриваются уравнения механики анизотропного тела. (Статические, физические, геометрические соотношения в сочетании с граничными условиями, в общем виде и для элементарных конструктивных элементов (тонкая однородная стенка, симметрично армированный слой, элементы, подкрепленные ребрами, стенки переменной толщины и др.)).
Далее проводятся расчет и проектирование конкретных деталей, узлов и элементов конструкций различного вида:
Рабочие чертежи деталей, узлов и элементов конструкций из КМ существенно отличаются от аналогичных чертежей деталей из металлов и сплавов. На чертежах, кроме всего прочего, должно быть указано: вид и марка матрицы, количество слоев арматуры, ориентация арматуры в отдельных слоях, количество разнородных слоев, если применяются комбинированные КМ, характер заделки торцов деталей и наружной поверхности, последовательность сборки, способы и технологические параметры формообразования, виды доработки, методы промежуточного и окончательного контроля качества деталей, узлов и элементов конструкции.
Основные компоненты КМ:
- матричные материалы. Они выполняют функции связующего вещества, придают материалу или изделию форму, делают материал монолитным и распределяют усилия между волокнами. В качестве матричных материалов используют полимеры: фенолоформальдегидные, меламиноформальдегидные, кремнийорганические, ненасыщенные гетероцепные полиэфиры, эпоксидные смолы, полиамиды и др.;
- армирующие материалы, обладающие высокой прочностью и жесткостью (монокристаллы, нити, жгуты, ткани, проволоки, сетки и др.), воспринимающие основную часть нагрузок, приходящихся на элементы деталей или конструкций.
Рассмотрим требования, предъявляемые к волокнам и матрице.
Требования к волокнам. Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, низкую плотность, высокую прочность 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.
Для армирования в основном применяют следующие виды волокон: нитевидные кристаллы (рис. 4.1), металлическую проволоку, органические волокна, неорганические поликристаллические волокна (рис. 4.2) и различные тканые и нетканые армирующие материалы на их основе.
(диаметр усов 0,025 мм, Vв = 0,45)
Требования к матричным материалам:
Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Она выполняет роль связующего. Объединяя многочисленные волокна, матрица воспринимает различного рода внешние нагрузки при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге и передает усилия на волокна.
За счет эластичности матрицы усилия от разрушенных или дискретных (коротких) волокон передаются соседним волокнам, концентрация напряжений вблизи различного рода дефектов при этом снижается. Матрица предохраняет волокна от механических повреждений и окисления. Высокая прочность КМ основана на адгезии (сцеплении) на границе матрицы и арматуры.
Если растягивающая нагрузка направлена по оси параллельных между собой волокон, то для получения эффекта упрочнения предельное относительное удлинение матрицы должно быть равно относительному удлинению волокон или больше него. Для обеспечения монолитности КМ при поперечном нагружении нужны матрицы, относительное удлинение которых выше упругой деформации волокон. Кроме того, чем эластичнее матрица, тем меньше допускается толщина ее прослойки между волокнами и тем больше волокон может быть введено в КМ.
Рис. 4.2. Микрофотография поперечного сечения
«графитовые волокна эпоксидная смола», х1000
Определение прочности однонаправленных КМ
с непрерывными волокнами в направлении армирования
Исходными данными для расчета являются (рис. 4.3):
Диаграмма истинных напряжений КМ (3) подлежит определению. Она состоит из трех участков:
I – матрица и волокна деформируются упруго;
II – матрица переходит в упругопластическое состояние, волокна продолжают деформироваться упруго;
III – оба компонента системы находятся в состоянии пластической деформации.
Рис. 4.3. Исходные данные для расчета:
1 – диаграмма истинных напряжений волокна;
2 – диаграмма истинных напряжений матрицы;
3 – диаграмма истинных напряжений КМ
Примем, что прочность связи на границе раздела «волокно матрица» достаточна для обеспечения совместной деформации вплоть до разрушения, т.е.
м = в = к. (4.1)
Степени деформации матрицы (м), волокна (в) и композиции (к) равны.
Тогда внешняя нагрузка, воспринимаемая композиционным материалом в направлении армирования Рхк, равна сумме нагрузок, приходящихся на матрицу Рхм и волокна Рхв:
Рхм + Рхв = Рхк (4.2)
(растяжение вдоль оси х). Воспользовавшись тем, что силу можно представить как произведение напряжения на площадь поперечного сечения, равенство (4.2) перепишем в виде
хмFм + хвFв = хкFк, (4.3)
где хм, хв, хк – растягивающие напряжения в матрице, волокне и всей композиции в направлении оси х; Fм, Fв, Fк – поперечное сечение матрицы, волокна и композиции соответственно.
Разделив обе части уравнения (4.3) на Fк, получим
хмVм + хвVв = хк, (4.4)
где Vм = Fм/Fк; Vв = Fв/Fк – объемные доли матрицы и волокна в композиционном материале.
Удельная объемная доля волокна в композиционном материале,
равная отношению площади поперечного сечения волокна к площади поперечного сечения однонаправленного композиционного материала, называется степенью армирования КМ Vв = Fв/Fк. В том случае, если КМ армирован волокнами в различных направлениях, тканями или другими видами армирующих материалов, степень армирования определяется отношением объема армирующего материала к объему композиционного материала.
Учитывая, что Vм + Vв = Vк, уравнение (4.4) можно записать в следующем виде:
хк = хвVв + хм(1Vв). (4.5)
Переходя к предельным напряжениям, уравнение (4.5) можно записать так:
в хк = в хвVв + хм(1Vв). (4.6)
Здесь в хв – среднее значение предела прочности волокна при растяжении; хм – напряжение в матрице в момент разрыва волокон.
Следует уяснить, что хм – это не предел прочности матрицы, а напряжение, соответствующее деформации, равной предельной деформации волокон до разрушения в пред. Для определения хм необходимо из точки с, соответствующей максимальной деформации волокон, опустить перпендикуляр на ось . Ордината точки D и даст хм.
На практике принятые допущения часто изменяются, так как волокна разрушаются не одновременно, а последовательно из-за наличия в них дефектов. Волокна с большими дефектами разрушаются при низких напряжениях, далеких от предела прочности, волокна с меньшими дефектами разрушаются при больших напряжениях, а в целом прочность композиции будет несколько ниже рассчитанной по формуле (4.5).
То же можно сказать в случае, когда матрица имеет недостаточный запас пластичности, что приводит к появлению трещин на границе раздела и в теле матрицы и к преждевременному разрушению КМ в целом.
Оптимальная объемная доля волокон
В соответствии с уравнением (4.5) прочность КМ должна повышаться пропорционально объемной концентрации волокон Vв.
Обычно при Vв 0,7…0,75 (содержание матричного материала 30…25% и менее) матричный материал не полностью смачивает и склеивает между собой все волокна в единое целое. При этом КМ проявляют склонность к образованию трещин и расслоений, наблюдается неодновременное разрушение волокон и прочность КМ резко падает. Поэтому степень армирования Vв = 0,7…0,75 следует считать максимально возможной для большинства композиционных материалов.
С другой стороны, при очень малых Vв хрупкие волокна не смогут ограничить деформацию матрицы и разрушаются, а матрица еще будет иметь запас прочности и воспринимать нагрузку. В этом случае прочность КМ может быть ниже прочности неармированной матрицы, поскольку введение волокон равносильно введению в матрицу нитевидных пор. Если волокна практически не работают (хвVв = 0), зависимость прочности композиции от объемной доли волокон (4.5) выразится формулой
вк = вм(1 – Vв), (4.7)
где вм – предел прочности матрицы (волокна не работают и вв0).
Зависимость прочности КМ от концентрации волокон по уравнению (4.6) (прямая 1) и (4.7) (прямая 2) показана на рис. 4.4.
Рис. 4.4. График зависимости прочности КМ от степени армирования
Объемная доля волокон, соответствующая точке пересечения этих прямых, называется минимальной объемной концентрацией волокон. Ей соответствует минимальная прочность КМ. Значение минимальной объемной доли волокон можно найти, приравняв выражения (4.6) и (4.7) и решив полученное уравнение относительно Vmin:
вв Vmin + м(1-Vmin) = вм(1-Vmin), (4.8)
. (4.9)
Из формулы (4.9) и рис. 4.6 следует, что существует такая объемная доля волокон (Vmin), при которой прочность КМ может быть меньше прочности неармированной матрицы. Рассчитывать эту величину нет необходимости.
Критической объемной долей волокон Vкр называют такую объемную долю, при которой прочность КМ становится равной прочности неармированной матрицы. Начиная с этой степени армирования прочность КМ постепенно увеличивается.
Величину Vкр можно рассчитать, приравняв в уравнении (4.6) прочность КМ к прочности неармированной матрицы:
вв Vкр + м(1-Vкр) = вм, (4.10)
отсюда
. (4.11)
Для более рационального армирования значение Vкр желательно иметь как можно меньшим, чтобы достичь упрочнения при небольшой объемной доле волокон. На практике этого добиваются, вводя в матрицу волокна с пределом прочности, значительно превышающим м. Эта величина для пластичных матриц обычно близка к их пределу текучести.
При низкой прочности волокон критическая степень армирования может превышать 50%. В этом случае упрочнение наблюдается при степени армирования более 50%.
Максимальная степень армирования выбирается из условия качественного смачивания материалом матрицы всех волокон. Она обычно равна 0,7…0,75. При больших степенях армирования КМ перестает работать как монолитный материал, волокна могут разрываться поочередно и прочность КМ интенсивно падает, что приведет к разрушению.
Прочность однонаправленных КМ в поперечных направлениях (в направлениях, перпендикулярных направлению волокон) определяется прочностью матричного материала. При условии высокой адгезии материала матрицы к волокнам и монолитности материала поперечная прочность равна пределу прочности матрицы.
Определение модуля упругости однонаправленных КМ в направлении
армирования и в поперечных направлениях
Предполагается, что модули упругости армирующих волокон (Ев) и матричного материала (Ем) известны.
Из закона Гука следует, что
хк = Екк; хв = Евв; хм = Емм, (4.12)
где Ек , Ев, Ем – модули упругости композиционного материала, волокон и матрицы соответственно.
Подставив значения напряжений из (4.12) в (4.5) и сократив все члены на относительную деформацию (к =в=м), получим уравнение для расчета модуля упругости КМ в направлении армирования х:
Ехк=ЕвVв+Ем(1Vв). (4.13)
Для определения модуля упругости КМ в направлении, перпендикулярном волокнам Еук, следует отметить, что напряжения в направлении у в КМ, волокнах и матрице равны:
ук = ув = ум . (4.14)
Абсолютная деформация КМ (ук) представляет собой сумму абсолютных деформаций волокна (ув) и матрицы (ум):
ук = ув + ум . (4.15)
Учитывая то, что абсолютная деформация = , уравнение (4.15) можно записать так:
укук = увув + ум . (4.16)
Разделив все члены этого уравнения на ук и учитывая то, что , а , уравнение (4.16) можно записать в виде
ук= ув Vв + ум Vм . (4.17)
Из закона Гука следует
; ; . (4.18)
Подставим значения деформаций из (4.18) в (4.17) и с учетом (4.14) сократим все члены уравнения на ук = ув = ум , в результате получим
, (4.19)
отсюда
. (4.20)
Подставив Vм = (1Vв), получим значение модуля упругости однонаправленного КМ в направлении, перпендикулярном к направлению волокон Еу:
. (4.21)
Аналогично по известным характеристикам компонентов можно определить модуль сдвига КМ, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного температурного расширения КМ в направлении армирования и в направлении, перпендикулярном к волокнам, и другие характеристики КМ.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с целью и содержанием лабораторной работы.
2. Получить задание для расчета двух видов однонаправленных КМ (см. приложение).
3. Выписать название, марку и основные характеристики прочности и жесткости для компонентов первой и второй пар.
4. Рассчитать Vкр для каждой пары по формуле (4.11). (Предел прочности КМ при Vкр равен пределу прочности матрицы).
5. Рассчитать максимальный предел прочности двух КМ (Vв=0,7…0,75).
6. Построить график зависимости в км = f(Vв) для двух видов КМ в пределах степеней армирования от Vкр до Vв=0,7…0,75 (рис. 4.4).
7. Сделать вывод по каждому КМ по следующим пунктам:
а) пределы армирования;
б) возможные пределы прочности КМ от вм до в км max;
в) максимальный предел прочности КМ составляет ______% от прочности армирующего материала.
8. Сделать общий вывод, указав, какая из заданных пар компонентов более оптимальна для производства КМ. Если показатели прочности сравнимы, то вывод сделать на основе экономических показателей.
9. Рассчитать модуль упругости КМ в направлении армирования и поперечном направлении по известным характеристикам компонентов.
10. Ознакомиться с помощью микроскопа со структурой КМ и зарисовать ее.
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,
в=2200 МПа; 2 – углеволокно высшего сорта, в=3500 МПа
Рис. П.4.4. Бороволокно и карбидокремниевое волокно: 1 – бороволокно,
в=3500 МПа; 2 – карбидокремниевое волокно, в=2500 МПа
Лабораторная работа № 5
Клеи и процессы склеивания.
Применение клеев для создания неразъемных
соединений элементов конструкций АКТ
Цель работы
Ознакомиться с преимуществами и недостатками клеевых соединений, классификаций клеев и теориями адгезии.
Изучить общие правила выбора клеев, их состава, конструкции клеевых соединений и этапы технологии склеивания.
Изучить влияние пластификаторов, наполнителей, растворителей и других факторов на свойства клеев и клеевых соединений.
Изучить основные виды промышленных клеев и особенности технологии склеивания деталей такими клеями.
Изучить состав и технологию склеивания различных материалов универсальными клеями БФ-2, эпоксидным и специальными клеями-растворителями.
Склеить в различных сочетаниях образцы из текстолита, дуралюмина, оргстекла и др.
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;
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.
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:
Относительно невысокая теплостойкость.
Склонность к старению.
Потеря свойств во влажной атмосфере.
Плохая работа ряда клеев при вибрационных нагрузках.
Большой разброс свойств при склеивании одним и тем же клеем по одной и той же технологии.
Трудность проведения неразрушающего контроля склеенных деталей и др.
По происхождению клеи подразделяют на природные и синтетические.
Классификация синтетических клеев
По составу:
Клеи на основе термореактивных и отверждающихся с помощью отвердителей полимеров.
Клеи на основе термопластичных полимеров.
Липкие ленты.
Клеи на основе эфиров целлюлозы (АГО, “Рапид”, АК-20 и др.).
Различные синтетические клеи.
По консистенции или вязкости:
Жидкие (БФ, эпоксидный и др.).
Пастообразные (ПУ-2 и др.).
Плёночные.
Твёрдые (в виде карандашей или порошка).
По назначению:
Клеи общего назначения.
Конструкционные клеи:
а) универсальные – проявляют адгезию к различным материалам,
б) специальные – имеют избирательную адгезию только к определенным материалам).
По методам отверждения:
Клеи высыхающие.
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
Под адгезией принято понимать сцепление, возникающее между двумя приведенными в соприкосновение разнородными материалами.
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).
Единой теории склеивания (адгезии) нет, так как ни одна из теорий не может объяснить всего многообразия и специфичности явлений, возникающих на различных стадиях склеивания и в готовых клеевых соединениях. Поэтому существует несколько теорий адгезии, объясняющих различные частные случаи процессов склеивания.
Рассмотрим основные теории адгезии.
Адсорбционная теория адгезии – рассматривает образование связи между клеящим веществом и склеиваемым материалом как результат действия межмолекулярных сил.
При контакте двух тел возникают молекулярные силы трех видов: дисперсионные, индукционные и электростатические.
Дисперсионные силы действуют на небольшом расстоянии между молекулами независимо от наличия или отсутствия в них полярных групп. Они являются результатом взаимной поляризации молекул за счёт непрерывного внутреннего движения электронов.
Индукционные силы возникают в результате образования диполя, наведенного другой молекулой, обладающей постоянным дипольным моментом.
Электростатические силы появляются в результате взаимодействия полярных молекул. В полярной молекуле центры тяжести всех положительных и отрицательных электрических зарядов не совпадают, в результате чего возникает дипольный момент.
Полярные молекулы благодаря несимметричному распределению электрических зарядов способны притягивать или отталкивать другие полярные молекулы.
В отличие от величины дисперсионных сил, которые практически не зависят от температуры, величина электростатических сил быстро уменьшается с возрастанием температуры в связи с нарушением ориентации диполей в результате увеличения подвижности молекул.
Из этой теории адгезии (адсорбционной) вытекают два важнейших правила адгезии:
1. Клей должен смачивать склеиваемые поверхности.
2. Полярные материалы склеиваются полярными клеями, неполярные – неполярными.
Эмпирическим путём установлено, что большинство полимеров, имеющих в своём составе полярные группы, обладают хорошими клеящими свойствами.
Адгезионные свойства полимеров зависят от величины прочности связей между самими отдельными молекулами (молярная когезия).
Чем больше дипольный момент и молярная когезия полимеров, тем лучше, как правило, их адгезионные свойства
Недостатки адсорбционной теории адгезии
Практически работа отслаивания клеящей плёнки может достигать 104…106 эрг/см2, в то время как работа, необходимая для преодоления молекулярных сил, не превышает 103 эрг/см2.
Адгезия зависит от скорости отслаивания, в то время как работа, направленная на преодоление молекулярных сил, не должна зависеть от скорости разъединения молекул. Трудно поддаются объяснению факты наличия адгезии между слабополярными полимерами: каучук, гутоперча, полиизобутилен и др.
Электрическая теория адгезии (разработана Б.В. Дерягиным и
Н.А. Кротовым). В основе этой теории положение о двойном электрическом слое, образующемся при тесном контакте двух поверхностей.
Основные положения:
1. Адгезия твёрдых плёнок обуславливается электростатическим притяжением зарядов двойного электрического слоя (микроконденсатора), возникающего на поверхности раздела клей – материал.
2. Отрыв клея от материала представляет собой процесс разведения обкладок микроконденсатора до наступления газового разряда.
При этом образование двойного электростатического слоя объясняется адсорбционными явлениями. Если в контакте находятся полимер и металл, то металл является донором электронов, обедняется электронами и заряжается положительно, а полимер – отрицательно.
При склеивании некоторых видов пластмасс полимеры за счёт функциональных групп тоже могут быть донорами или акцепторами электронов, что приводит к образованию двойного электростатического слоя.
Теория не универсальна и имеет следующие недостатки:
С точки зрения только этой теории трудно объяснить увеличение адгезии с приближением природы клея и склеиваемых материалов друг к другу.
Трудно объяснить высокую адгезию наполненных смесей полимеров, например, клеев на основе фенолоформальдегидной смолы, и синтетических каучуков, обладающих проводимостью, и т.д.
Диффузионная теория адгезии. Эта теория хорошо согласуется с представлением о том, что высокая адгезия возможна, если оба склеиваемых полимера либо полярны, либо неполярны. Согласно этой теории склеиваемые поверхности деталей или материалов, как правило, полимерных, растворяются чистыми растворителями, их смесями или клеящими лаками, представляющими собой малоконцентрированные растворы полимеров в растворителях.
После растворения склеиваемых поверхностей и их соединения осуществляется их сжатие с небольшими давлениями (чтобы растворы не выдавались из зоны склейки). В процессе довольно длительной выдержки происходит взаимная диффузия макромолекул или их частей и постепенное испарение растворителя. В результате между деталями образуются прочные связи. Прочность клеевого соединения, как правило, соизмерима с прочностью склеиваемых материалов.
Недостатки. Диффузионная теория совсем неприменима для объяснения механизма процессов склеивания металлов, стекла, керамики, древесины, кожи, бумаги и т.д.
Химическая теория адгезии. Прочность некоторых соединений обусловлена наличием химических соединений и связей между клеем и склеиваемым материалом.
Например, эта теория объясняет высокую прочность при склеивании резин с медными сплавами, поэтому при обрезинивании стальных деталей их предварительно латунируют.
Выбор клея и его компонентов
При выборе клея учитывают прежде всего химическую природу склеиваемых материалов, а также условия работы клеевого соединения, конструктивные особенности изделия и требования к технологическим свойствам клея. Рекомендуется использовать клеи на той же (или близкой по составу) основе, что и у склеиваемых материалов.
Например, текстолит, гетинакс, асботекстолит, дельтадревесина имеют основу в виде фенолоформальдегидной смолы. Для них надо применять фенолоформальдегидные клеи или их смеси с другими полимерами.
Вместе с тем склеивание может быть осуществлено другими универсальными клеями (эпоксидными, полиуретановыми, полиакриловыми и др.). При правильно выбранном клее прочность соединения будет определяться прочностью склеиваемых материалов.
Термопласты по их способности к склеиванию могут быть разделены на три группы: 1) легко склеиваемые; 2) условно легко склеиваемые; 3) трудно склеиваемые.
К легко склеиваемым термопластам относят полимеры, склеивание которых возможно без специальной подготовки поверхностей (полиакрилаты, поливинилхлорид непластифицированный, полистирол и сополимеры стирола, поликарбонаты).
К условно легко склеиваемым относятся полимеры и материалы, требующие несложной подготовки их поверхности (поливинилхлорид пластифицированный, полиэтилентерефталат и др.).
К трудно склеиваемым относятся материалы, требующие сложной подготовки поверхностей или применения специальных клеев, пригодных для склеивания материалов только определённого типа (полиэтилен, полипропилен, фторопласты, полиамиды и др.).
Для склеивания резин используют резиновые клеи.
Для склеивания металлов выбирают универсальные клеи, имеющие высокую адгезию к различным материалам и высокую когезионную прочность (эпоксидные, полиуретановые, фенолоформальдегидные, фенолокремнийорганические и др.).
Влияние пластификаторов на свойства клеев и клеевых
соединений
Важнейшими факторами, определяющими свойства клеевого соединения, являются количество и природа пластификаторов, которые иногда вводят в клей для устранения неблагоприятного влияния усадки и внутренних напряжений в процессе образования клеевого слоя. Некоторые пластификаторы, например, внедряются между наиболее крупными надмолекулярными образованиями (эффект межпачечной пластификации), разрушают их и тем самым положительно влияют на условия формирования адгезионного соединения. Пример такого пластификатора – трикрезилфосфат, введение его в клеи для склеивания металлов на основе поливинилформальэтилаля в количестве 0,04% повышает прочность соединения при расслаивании на 25%.
Различные наполнители органической и минеральной природы оказывают существенное влияние на процесс формирования адгезионного контакта и свойства клеевого соединения. Введение наполнителей снижает остаточные напряжения в клеевом слое, что сопровождается повышением прочности клеевых соединений. Металлы и их окислы могут быть не только наполнителями, но и сшивающими агентами. Введение наполнителей может повысить не только прочность, но и теплостойкость клеевых соединений. Введение в клеевые композиции наполнителей способствует лучшему заполнению клеем зазоров между склеиваемыми поверхностями, позволяет экономить клеящие материалы.
Наполнители могут изменять удельный вес композиции в тех случаях, когда клеевое соединение может изменить балансировку деталей и узлов (заливка раковин в литых деталях). Используя в качестве наполнителей металлические порошки, можно повысить тепло- и электропроводность клеевых соединений (серебро, медь, никель и др.).
Введением в клей наполнителей можно уменьшить усадку клея и разницу коэффициентов линейного расширения склеиваемых материалов и клеев. Это снижает внутренние напряжения в клеевом слое и может предотвратить разрушение.
Влияние растворителей на процесс формирования клеевого соединения
На качество клеевого соединения существенное влияние оказывает степень удаления растворителя из пленки в процессе открытой выдержки. Открытая выдержка определяется временем с момента нанесения клея на склеиваемые поверхности до момента их соединения.
Наличие растворителя в клеевом слое делает его пористым, при этом снижается прочность и теплостойкость клеевого соединения. При быстром удалении растворителя на поверхности клеевой пленки образуется твердая корка, мешающая дальнейшему удалению растворителя из клеевого слоя. Растворитель должен испаряться равномерно при открытой выдержке.
Выбор вида и конструкции клеевого соединения
Прочность и долговечность клеевого соединения существенно зависят от вида и конструктивного решения клеевого соединения.
Основные виды клеевых соединений листовых и профильных деталей показаны на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Основные виды клеевых соединений листовых и профильных деталей: а - внахлёстку; б - встык с односторонней или двусторонней
накладкой; в - с двойной нахлёсткой; г - “на ус”; д, е - угловые;
ж - тавровые; з - пазовые
Общие этапы технологии склеивания деталей
1. Подготовка склеиваемых поверхностей – заключается в подгонке, зачистке и обезжировании склеиваемых поверхностей. Иногда требуется специальная обработка поверхностей перед склеиванием.
Подгонка должна обеспечить плотное прилегание склеиваемых поверхностей. Качество подгонки зависит от вида применяемого клея. Если клей имеет малую когезионную прочность, то подгонка должна быть очень точной, а клеевой слой – тонким. Если же клей имеет высокую когезионную прочность и малую усадку при отверждении, то подгонка может быть менее тщательной, так как клей после отверждения обеспечит необходимую плотность клеевого соединения и его высокую прочность.
Зачистка проводится в целях получения чистых склеиваемых поверхностей, удаления с них окалины, жировых пятен и в целях создания оптимальной шероховатости склеиваемых поверхностей.
Установлено, что отполированные поверхности склеиваются хуже, чем поверхности с оптимальной шероховатостью. Для создания оптимальной шероховатости применяют механические методы обработки склеиваемых поверхностей, например, зачистку наждачной шкуркой оптимальной зернистости, зачистку металлическими щетками с применением специального оборудования, пескоструйную обработку и др.
Существуют термические методы очистки поверхности металлов путём отжига изделий в атмосфере водорода, окислительно-восстановительный отжиг. Можно поверхности подвергать ионной бомбардировке, обработке пламенем, тлеющим коронным разрядом, струёй ионизированного газа и др.
Иногда более эффективными являются методы химической обработки поверхности. Например, алюминиевые сплавы обрабатывают электрохимическим методом в кислотных ваннах или растворах, содержащих окислители, что приводит к образованию окисной пленки на поверхности металла. Кроме всего прочего при такой обработке увеличивается площадь контакта клея со склеиваемым материалом.
В некоторых случаях наличие окисной плёнки на склеиваемых поверхностях категорически недопустимо.
Иногда применяют модификацию поверхностей склеиваемых материалов органическими и элементоорганическими веществами. Доказано, что адгезия полиэтилена к металлам повышается, если поверхность металла предварительно покрыть мономолекулярным слоем органической кислоты.
Обычно трудно склеиваются “инертные” термопласты – неполярные полимеры (полиэтилен, полипропилен, политетрафтороэтилен и др.). При склеивании таких материалов необходима обработка их поверхности либо механическими методами (опескоструивание, зашкуривание), либо физическими (газопламенная обработка, обработка электрическим разрядом, ультрафиолетовыми лучами и др.), либо с помощью химических агентов (например, раствора металлического натрия в жидком аммиаке), изменяющих полярность поверхностных слоёв полимеров.
Обработка полиэтилена хромовой кислотой повышает прочность клеевого соединения на полиуретановом клее ПУ-2 при сдвиге от 1 до 90…95 кгс/см2. Аналогичные результаты получают и при обработке поверхности полиэтилена разбавленными водными растворами КМnО4.
Обезжиривание – необходимая и очень важная технологическая операция в процессе склеивания. Обезжиривание желательно проводить растворителем, применяемым в составе клея. После обезжиривания склеиваемые поверхности высушивают. Иногда обезжиривание проводят методами химической обработки, путем прокаливания при высоких температурах и др. Обезжиривание можно совмещать с процессом растворения склеиваемых поверхностей растворителями, которые одновременно выполняют и обезжиривающую функцию.
2. Приготовление клеев, их контроль и испытания.
Для однокомпонентных клеев или сложных по составу высыхающих или затвердевающих при повышенных температурах клеев эта операция сводится к оценке внешнего вида клея, проверке его однородности, прозрачности или равномерности по цвету и других свойств. Контроль проводят на основе соответствующих ТУ.
Вязкость клея должна соответствовать нормам, приведенным в ГОСТах или ТУ. Ее проверяют с помощью вискозиметров различной конструкции.
При необходимости определяют сухой остаток клея (по ТУ или ГОСТу), а также механические свойства клеевых соединений исследуемых материалов, склеенных данным клеем по рекомендуемой технологии (определяется предел прочности при разрыве, предел прочности при сдвиге, предел прочности при равномерном отрыве и др.). Испытания проводят по ГОСТам или соответствующим ТУ.
Для многокомпонентных затвердевающих клеев процесс приготовления заключается в смешивании компонентов (клей, отвердитель, пластификатор или другие компоненты многокомпонентных клеев). После приготовления клея проводят оценку его свойств аналогично тому, как это делается для однокомпонентных или многокомпонентных высыхающих или затвердевающих клеев.
Многокомпонентные затвердевающие клеи после их приготовления могут затвердевать при комнатной температуре (клеи холодного отверждения) или при определенной повышенной температуре (клеи горячего отверждения). Один и тот же клей в зависимости от применяемого отвердителя может затвердевать как при комнатной, так и при повышенной температуре.
Для клеев холодного отверждения важной контролируемой характеристикой является его жизнеспособность.
Жизнеспособность клея – это время от момента приготовления отверждающегося клея до того момента, когда вязкость его станет настолько большой, что его уже невозможно нанести равномерным тонким слоем на склеиваемые поверхности.
Для клеев холодного отверждения жизнеспособность может быть от нескольких минут до нескольких часов. Срок использования клея не должен превышать времени его жизнеспособности. Это накладывает определенные жесткие условия на массу приготавливаемой партии клея и время его использования. По истечении жизнеспособности клей уже невозможно использовать по назначению. Чтобы исключить упомянутые выше ограничения, в промышленных условиях чаще применяют клеи горячего отверждения. Это не только исключает возможность самопроизвольного затвердевания клея, но и позволяет, как правило, получить более высокие механические характеристики клеевых соединений.
3. Нанесение клея на склеиваемые поверхности, сушка, открытая выдержка и пропитка.
Нанесение клея на склеиваемые поверхности выполняют механизированными методами, аналогичными используемым при нанесении лакокрасочных покрытий или вручную с помощью кисти, штапеля, шприца и др. инструментов.
Пленочные клеи вырезают по размеру склеиваемых поверхностей и укладывают на нанесенный точками жидкий клей или подогретую поверхность. Термопластичные клеи можно подавать в нагретом состоянии в зазор между склеиваемыми деталями с помощью устройств типа литьевых машин. При этом периметр клеевого соединения необходимо герметизировать.
На прочность клеевого соединения оказывает влияние толщина клеевого слоя. Для большинства клеев с уменьшением толщины клеевого слоя прочность соединения увеличивается. Однако это наблюдается не всегда. Например, закономерность не соблюдается при использовании некоторых высокопрочных адгезивов, таких, как клей на основе бутадиен-нитрильного каучука.
После нанесения клея проводится открытая выдержка склеиваемых деталей. При этом происходят испарение растворителей, если они применяются, и пропитка поверхностного слоя деталей клеем. Клей растекается по всей поверхности, что способствует выравниванию толщины клеевого слоя и вытеснению воздуха из пор и неровностей поверхности. Время открытой выдержки зависит от вида применяемых растворителей.
Иногда после нанесения первого слоя клея, его сушки и частичного отверждения наносится второй слой клея, который также подвергается открытой пропитке или сушке. В качестве первого слоя можно использовать другой клей в целях защиты склеиваемых поверхностей от агрессивного воздействия основного клея.
4. Соединение склеиваемых поверхностей и их запрессовка (создание сжимающего давления).
Запрессовка обеспечивает фиксирование деталей, достижение более полного контакта между клеем и склеиваемыми поверхностями, способствует образованию клеевой прослойки оптимальной толщины.
Величина давления зависит от вязкости клея, точности подгонки поверхностей, жесткости конструкции. Его оптимальные значения подбираются для каждого клея эмпирически. Для создания давления при склеивании применяют пневматические или гидравлические прессы, автоклавы, различные зажимные устройства, атмосферное давление в комбинации с вакуумированием и др.
5. Сушка термопластичных клеев и отверждение многокомпонентных затвердевающих клеев и клеев на основе термореактивных смол.
Отверждение термопластичных клеев происходит путем испарения растворителей. Время сушки зависит от вида склеиваемых материалов, формы, размеров склеиваемых поверхностей и других факторов.
Отверждение термореактивных и затвердевающих клеев является, наряду с подготовкой поверхностей, наиболее важной операцией технологии склеивания. Выбор режимов этого процесса (температура, давление, продолжительность) зависит не только от природы клея, но и типа соединяемых материалов и условий эксплуатации изделий. Соединения, образуемые эпоксидными и полиуретановыми клеями при повышенных температурах отверждения, имеют более высокую прочность, теплостойкость и водостойкость, при этом улучшаются электроизоляционные свойства клеевых соединений. Термореактивные клеи отверждаются всегда при повышенных температурах. Склеиваемые детали нагревают в термостатах, термошкафах, контактными нагревателями, с помощью токов высокой частоты и другими методами.
Продолжительность выдержки при повышенной температуре и под давлением зависит от скорости нагрева зоны шва до заданной температуры и скорости отверждения клея.
Затвердевание термопластичных клеев происходит в результате испарения растворителя или охлаждения зоны шва (столярный клей).
После отверждения клеевого слоя детали извлекают из зажимных систем, устройств или приспособлений и некоторое время выдерживают при комнатной температуре для релаксации напряжений и уменьшения общего уровня внутренних напряжений.
6. Контроль качества клеевых соединений.
Обычно применяют два вида контроля:
а) пооперационный – осуществляется в процессе склеивания;
б) окончательный; для ответственных деталей применяются различные виды неразрушающего контроля, такие, как ультразвуковой, рентгенконтроль и др.
Выборочно проводят также разрушающие виды контроля (для определения предела прочности, ресурса и других характеристик).
Для получения качественных клеевых соединений технологические процессы склеивания должны разрабатываться и осуществляться так, чтобы в клеевом соединении не возникало внутренних остаточных напряжений. Надо иметь в виду, что возникновению таких напряжений способствуют следующие факторы:
плохая подгонка склеиваемых деталей;
неравномерный слой клея;
неравномерное давление запрессовки;
большая усадка клея при отверждении;
различные коэффициенты удельного термического расширения клея и склеиваемых материалов (для клеев с горячим отверждением);
неравномерность температуры при горячем отверждении;
слишком высокая жесткость клеевого слоя по сравнению с жесткостью склеиваемых материалов и др.
Состав, маркировка, свойства и особенности применения
некоторых видов синтетических конструкционных клеев
Клеи на основе немодифицированных фенолоформальдегидных смол
В зависимости от соотношения исходных продуктов (фенола и формальдегида, применяемых инициаторов или катализаторов (щелочных или кислых) и режима изготовления фенолоформальдегидные смолы подразделяют на резольные (термореактивные) и новолачные (термопластичные).
Клеи на основе термореактивных смол содержат в избытке формальдегид и способны при повышенных температурах необратимо затвердевать при переходе в термостабильное состояние.
Клеи на основе термопластичных фенолоформальдегидных смол для отверждения требуют применения специальных отвердителей, например, в виде сульфонафтеновых кислот (керосиновый контакт Петрова) или соляной кислоты. Отверждаются они как при комнатной температуре (выдержка
склеенных деталей в прижатом состоянии от 5 до 25 часов), так и при повышенных (140…150С) температурах.
В качестве конструкционных клеев применяют как термореактивные, так и термопластичные фенолоформальдегидные смолы, но чаще последние.
Двухкомпонентные клеи на основе термопластичных фенолоформальдегидных смол такие, как ВИАМ Б-3, КБ-3, ВИАМ Ф-9, В31-Ф9 и другие, имеют жизнеспособность 2 5 часов, отверждаются при 20С за 5 25 часов (В31-Ф9 за 20 30 мин), требуют после нанесения открытой выдержки в течение 5 15 мин и давления прижатия 0,5…5 кгс/см2. Клеевые соединения, выполненные этими клеями, имеют предел прочности на сдвиг от 100 до 140 кгс/см2.
Клеевые соединения могут работать при температурах 75…100С. Они устойчивы к бензину, маслам, спиртам и ароматическим углеводородам.
Клеи на основе фенолоформальдегидных смол,
модифицированных поливинилацеталями
К этой группе относятся клеи типа БФ. Наиболее широко известны клеи марок БФ-2, БФ-4, представляющие собой спиртовые растворы термореактивной фенолоформальдегидной смолы, совмещенной с поливинилбутиралем (термопластичная бутварная смола). Для приготовления клея
10%-ный спиртовый раствор поливинилбутираля смешивают с 50%-ным спиртовым раствором термореактивной фенолоформальдегидной смолы (для приготовления клея БФ-2 берут 1 вес.ч. смолы и 1 вес. ч. поливинилбутираля, для клея БФ-4 1 и 5,7 вес.ч. соответственно) и нагревают смесь при 50…60С до получения однородного и прозрачного в проходящем свете раствора. Концентрация сухого вещества в клее БФ-2 составляет 14…17%, в клее БФ-4 10…13%.
Термореактивная фенолоформальдегидная смола после отверждения в клеевом слое придает ему высокую прочность, жесткость, теплостойкость, водостойкость, химическую стойкость и нерастворимость во многих растворителях и другие свойства.
Термопластичная бутварная смола (поливинилбутираль) придает клею повышенную адгезию, эластичность, вибрационную стойкость и влияет на температуру перехода клея в твердое состояние.
Клеи типа БФ применяют для склеивания металлов с металлами, металлов с неметаллическими конструкционными материалами (текстолитом, гетинаксом и др.) вместо клепки и сварки.
Технология склеивания клеями БФ-2, БФ-4
Проверяют вязкость клеевого раствора на соответствие ТУ.
Подгоняют, зачищают и обезжиривают склеиваемые поверхности.
Наносят первый слой клея и выдерживают 30 мин при 20С и 15 мин при 60С.
После охлаждения образцов наносят второй слой клея, выдерживают ~1,5 мин (до «отлипа», поверхности должны стать матовыми, так как спирт должен полностью испариться).
Соединяют склеиваемые детали и создают давление в клеевом слое
≈ 8…20 кгс/см2.
Проводят отверждение клея при Т = 140…160С для БФ-2 и при Т = 60…80С для БФ-4. Время отверждения 55 – 60 мин.
После склеивания желательна выдержка образцов до испытаний не менее одних суток. Прочность на сдвиг при склеивании металлов и других конструкционных материалов 150…300 кгс/см2, термостойкость до 200С, водостойкость хорошая. Клеевой слой стоек в масле, бензине, керосине, в спиртоглицериновых смесях. Клеевые соединения удовлетворительно выдерживают низкие температуры до температуры жидкого гелия.
Позже были предложены новые модификации фенолополивинилацетальных клеев, обладающих более высокой теплостойкостью: ФА-24, БФР-4, ВС-10Т, ВС-350 и др.
Клей ФА-24 представляет собой спиртовой раствор фенолоформальдегидной смолы и поливинилформаля с добавками алкоксисилана и хинолина. Клеевое соединения на клее ФА-24 отличается высокой прочностью при сдвиге и отличается от клеевых соединений на клее БФ-2 более высокой теплостойкостью. Прочность на сдвиг клеевых соединений стали 30ХГСА на этом клее при 20оС составляет 310 кгс/см2, а при 100оС – 190 кгс/см2.
Клеи БФР-2, БФР-4 состоят из фенолоформальдегидной смолы марки ФР-200 и поливинилбутиральфурфурола. Отверждение проводят при Т = 150…175С, давления прижатия 10…20 кгс/см2. Клей наносится в два слоя. В клее БФР-2 содержится больше фенолоформальдегидной смолы, поэтому он может работать при более высоких температурах.
Жизнеспособность этих клеев 4 – 6 месяцев. Кроме всего прочего этим клеем приклеивают медную фольгу к гетинаксу при производстве фольгированного гетинакса.
Клеи ВС-10Т и ВС-350 состоят из термореактивной фенолоформальдегидной (ВС-10Т) и такой же фенолоформальдегидофурфурольной (ВС-350) смол и клеевой композиции ВС-10, которая состоит из поливинилацеталя с алкоксиланом.
Клеи однокомпонентны, имеют срок хранения не менее 6 мес. Отверждение клеев проводят под давлением 0,6…2,0 кгс/см2 при 180С в течение двух часов. Их применяют для склеивания деталей из сталей различных
марок, анодированного дуралюмина, стеклотекстолитов различных марок, стеклотекстолитов с металлами, теплостойких пенопластов типа ФК-40 и др.
Прочность клеевых соединений металлов на сдвиг в пределах
130…180 кгс/см2. Соединения выдерживают длительное (до 200 ч) при 200С и кратковременное (5 ч) при 350С нагревание.
Клеи на основе фенолоформальдегидных смол, модифицированных термопластами и эластомерами
Для модификации фенолоформальдегидных смол в целях создания
термостойких клеев, пригодных для склеивания металлов в силовых конструкциях, используют различные термопласты и эластомеры (синтетические каучуки, поливинилацетали, полиамиды и др.).
Фенолокаучуковые клеи ВК-32-20, ВК-3, ВК-4, ВК-13, ВК-13М применяют для склеивания металлов, стеклопластиков и других материалов, в том числе силикатных стекол. Их состав:
ВК-32-20 фенольная смола (лак ИФ) + нитрильный каучук с
отвердителем. Жизнеспособность 24 часа.
ВК-3 лак ИФ + модифицированный нитрильный каучук.
Жизнеспособность 6 24 часа.
ВК-4 резол 300 + нитрильный каучук с минеральным наполнителем.
Жизнеспособность 24 часа.
ВК-13 резол 300 + карбоксилсодержащий каучук.
Жизнеспособность 24 часа.
ВК-13-М резол 300 + карбоксилсодержащий каучук с минеральным
наполнителем. Жизнеспособность 24 часа.
Технологические режимы склеивания
Количество наносимых слоев клея ВК-32-20 не более двух, для всех остальных два и более. Расход клея 150…300 г/м2 (на один слой).
Открытая выдержка 15 90 мин при 60…65С после нанесения последнего слоя. Температура отверждения клеев 165…200С, время – 1 – 2 часа. Давление 6…20 кгс/см2.
Прочность при неравномерном отрыве 30…65 кгс/см.
Характеристики прочностных свойств клеевых соединений на основе указанных клеев приведены в табл. 5.1.
Есть и другие марки клеев подобного типа: ПФК-19, КПФ-250, ВК-32-2, РА-101.
Термостойкость клеевых соединений с фенольно-каучуковыми клеями 200…300С. Водостойкость отличная. Соединения обладают маслобензостойкостью, стойки в алифатических углеводородах.
Таблица 5.1
Длительная прочность клеевых соединений из дуралюмина при 20С
|
Марка клея |
сдвиг, кгс/см2 |
Время до разрушения, ч |
|
ВК-32-20 |
140 |
500 |
|
ВК-3 |
90 |
1000 |
|
ВК-4 |
130 |
500 |
|
ВК-13 |
125 |
1000 |
|
ВК13-М |
115 |
500 |
Клей ВК-8 фенолокремнийорганическая композиция, модифицированная синтетическим каучуком. Композиция содержит неорганический наполнитель.
Прочность до 250 кгс/см2 при равномерном отрыве при 20С.
При температуре 400…425С σв может достигать 44 кгс/см2.
Предел выносливости клеевых соединений деталей из стали 30ХГСА:
при 20С (2,5106 циклов) 100 кгс/см2;
400С (7103 циклов) 20 кгс/см2;
1000С (37,4103 циклов) 5,2 кгс/см2;
Клей ВК-10 – теплостойкий и термостабильный клей на основе фенолокремнийорганической смолы Б1, полиорганоборосилоксана и асбеста.
Предназначен для склеивания теплостойких металлов и неметаллических материалов, работающих при температурах до 1200С. Склеивание проводится при температуре 200С в течение трех часов или при 180С –
5 часов под давлением 3…8 кгс/см2.
Прочность при сдвиге соединений из нержавеющей стали при 20С составляет 125 кгс/см2, при 425С – 37 кгс/см2. После выдержки при 1200С в течение 15 мин прочность при сдвиге при 20С составляет 20 кгс/см2 и 19 кгс/см2 – при 425С.
Клей ВК-15 предназначен для склеивания сталей, титановых сплавов и теплостойких неметаллических материалов, работающих в условиях длительного воздействия температур от 300 до 1000С.
При склеивании клей наносится на склеиваемые поверхности однократно. После нанесения клея проводится открытая выдержка на воздухе в течение одного часа. Давление при склеивании – 1…3 кгс/см2, продолжительность отверждения клея при температуре 150С – два часа.
Клей виброустойчив, обладает большой длительной прочностью, устойчив к действию тропического климата, циклического воздействия переменных температур, топлив, масел и других внешних воздействий.
Клей ВК-2 – раствор кремнийорганической смолы К-9 в этиловом спирте с добавлением наполнителя. Клей предназначен для склеивания сталей, сплавов титана, для приклеивания к этим металлам неметаллических теплостойких материалов, работающих при 400C (250 часов) и 1000С (5 мин), а также для приготовления уплотнительного материала, работающего при температуре до 350С (4000 часов).
Для склеивания силиконовых резин со сталями, титановыми сплавами, дуралюминами, латунями и другими материалами разработаны и успешно применяются высокотеплостойкие клеи на основе кремнийорганических полимеров с отвердителями и часто с наполнителями. Это такие клеи, как
КТ-15, КТ-25, КТ-30, МАС-1В, ВКТ-2, ВКТ-3 и др. Данные клеи могут работать в интервале температур от –60 до +350оС.
Клеи на основе эпоксидных смол
Эпоксидные клеи состоят из эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. Пластификатор, как правило, вводится в состав смолы и тогда клей двухкомпонентный. В зависимости от применяемых отвердителей клеи бывают холодного и горячего отверждения.
Эпоксидные клеи отличаются высокой адгезией, малой усадкой при отверждении, достаточно высокой теплостойкостью и рядом других положительных свойств, и поэтому их широко применяют для склеивания металлов между собой, а также металлических и неметаллических конструкционных материалов.
Основные марки эпоксидных смол: ЭД-24, ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16, ЭД-14, ЭД-10, ЭД-8, Э-40, Э-44, Э-49. Применяют также галогеносодержащие эпоксидные смолы пониженной горючести: УП-614, УП-631, ЭХД и др.
Для получения теплостойких композиций применяют смолы, представляющие собой продукты совмещения дифенилопропановых смол с фурфуролацетоновой (ФА) смолой: ФАЭД8, ФАЭД10, ФАЭД-11, ФАЭД-13. Теплостойкость клеев – ≈ 130С.
В состав клеев кроме смол всегда входят отвердители и часто пластификаторы.
В качестве отвердителей горячего отверждения применяют малеиновый, фталевый и янтарный ангидриды, мочевиноальдегидные и фенолоформальдегидные смолы. Количество отвердителя определяется расчетным путем и корректируется экспериментально. Обычно количество отвердителей горячего отверждения колеблется в пределах 32…41% от веса смолы.
Время отверждения зависит от температуры и может колебаться в пределах 4–12 часов. Чем выше температура, тем меньше время отверждения.
В клеях холодного отверждения в качестве отвердителей чаще всего применяют гексаметилендиамин, полиэтиленполиамин, кубовый остаток и др. Количество отвердителя также рассчитывается и берется порядка 8…10% от веса смолы. Время отверждения клеевых соединений при температуре 20С от одних до пяти суток.
Жизнеспособность клеев от 0,5 до 2 часов.
В качестве пластификаторов чаще всего используют дибутилфталат, МГФ-9 и другие в количестве 10…15%.
Технология склеивания деталей эпоксидным клеем
холодного отверждения
Подгонка, зачистка и обезжиривание склеиваемых поверхностей.
Приготовление клея (отвешивание необходимого количества смолы, отвердителя и смешивание компонентов в течение 5 – 7 минут). Жизнеспособность клея – 2 часа.
Нанесение клея на склеиваемые поверхности.
Открытая пропитка – 5 – 10 минут.
Соединение склеиваемых деталей или образцов и создание давления прижатия 0,05…0,5 МПа (0,5…5 кгс/см2) и выдержка при комнатной температуре не менее 24 часов.
Извлечение образцов или деталей из зажимного устройства, проверка качества склейки или испытания образцов на сдвиг.
Схема испытаний склеенных образцов на сдвиг показана на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Схема испытаний склеенных образцов на сдвиг:
1 – склеенный образец, 2 – упор, 3 – струбцина
Применение специальных клеев для склеивания
изделий из оргстекла
В качестве клеев для склеивания оргстекла используют чистые растворители, клеящие лаки и полимеризационные клеи.
Клеи-растворители широко применяют для склеивания изделий из органического стекла, винипласта, полистирола.
Органическое стекло растворяется в дихлорэтане, ледяной уксусной кислоте и других органических растворителях. На первой стадии растворения, т.е. при набухании, его поверхность становится мягкой и липкой, что способствует диффузии.
Клеящие лаки – это 2…3%-ные растворы полимера в органических растворителях.
Клеи-растворители или клеящие лаки используют в основном при изготовлении декоративных изделий и моделей, где решающее значение имеет
не прочность склейки, а простота ее выполнения. Влаго- и атмосферостойкость полученных таким образом соединений относительно невысоки и со временем снижаются.
Для склеивания изделий технического назначения применяют полимеризационные клеи, обеспечивающие чрезвычайно высокую прочность склейки, сохраняемую изделием постоянно. Полимеризационный клей состоит из полимера – 10%, мономера – 90%, инициатора (перекиси бензола). Наиболее известными полимеризационными клеями являются отечественные клеи ВК-32-70а, ВК-32-70б и зарубежные – плексигумы 8050, 8051, тензоловый цемент №3 и др.
Непременные условия прочности клеевого соединения – тщательная подготовка соединяемых поверхностей и строгое соблюдение технологического режима склеивания.
Технология склеивания деталей из оргстекла
клеями-растворителями или клеящими лаками
1. Поверхности склеиваемых деталей не подвергаемые склеиванию оклеивают пергаментной бумагой водорастворимым желатиновым или крахмальным клеем. Делается это в случае необходимости сохранения оптических свойств деталей.
2. Выполняют подгонку, зачистку и обезжиривание склеиваемых поверхностей (обезжиривание иногда можно не проводить, так как клеи-растворители одновременно выполняют и функции обезжиривания).
3. Наносят клей на обе склеиваемые поверхности. Цель этой операции – растворение обеих склеиваемых поверхностей. Клей-растворитель или клеящий лак наносят многократно и обильно в течение 8 – 10 минут. Нанесенный клей аккуратно перемешивают так, чтобы не допустить его стекания по боковым поверхностям склеиваемых образцов или деталей. На конечной стадии проводят выдержку без добавления клея, но перемешивая его для повышения вязкости раствора. Вязкость должна быть такой, чтобы за отрываемой от раствора кистью тянулись нити до 15…20 см. Полное высыхание растворителя при этом недопустимо.
4. Соединяют образцы или детали и прижимают их так, чтобы из зоны склейки полностью удалились пузырьки воздуха. После небольшой выдержки осуществляют прижатие образцов давлением 0,05…0,3 МПа (0,5…3 кгс/см2).
5. Выдерживают склеенные образцы или детали в сжатом состоянии не менее 24 часов для образцов толщиной 3…4 мм и не менее 96 часов при толщине склеиваемых материалов 10 мм и более.
6. Извлекают образцы из зажимного устройства и выдерживают их не менее 24 часов в свободном состоянии.
7. Испытывают склеенные образцы на сдвиг по схеме рис. 5.4.
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;
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:
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.
Осуществить склеивание образцов клеем БФ-2 и эпоксидным клеем в различных комбинациях по указанию преподавателя.
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.
Изучить состав специальных клеев, применяемых для склеивания оргстекла (полиметилметакрилата) и технологию склеивания клеями-растворителями и клеящими лаками.
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.
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?
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
Результаты испытаний склеенных образцов на сдвиг
|
№ п/п |
Склеиваемые материалы |
Разруша-ющая нагрузка Р3010, Н |
Длина клеевого соединения, мм |
Ширина клеевого соединения, мм |
Площадь склейки, м2 |
Предел прочности на сдвиг , МПа |
Примечания |
|
Образцы, склеенные клеем БФ2 |
|||||||
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
3 |
|||||||
|
4 |
|||||||
|
5 |
|||||||
|
6 |
|||||||
|
Образцы, склеенные эпоксидным клеем |
|||||||
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
3 |
|||||||
|
4 |
|||||||
|
5 |
|||||||
|
6 |
|||||||
|
Образцы, склеенные чистым дихлорэтаном (ЧДХ) |
|||||||
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
3 |
|||||||
|
Образцы, склеенные двухпроцентным раствором оргстекла в дихлорэтане (2ДХ) |
|||||||
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
3 |
Р – давление по манометру в кгс/см2; 30 см2 – площадь поршня, 10 – переводной коэффициент кгс в Н.
Общие выводы:
Библиографический список
PAGE 7
б
а
г
в
, %
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
, ГПа
1
2
3
4
5
6
0
1
2
вм
Vmin
Vкр
0,7-0,75
Vв
Степень армирования
вк
III
II
I
D
С
вм
м пред
в пред = к пред
3
2
1
м
вк
вв
180
1
5
3
2
4
, %
6
5
4
3
2
1
0
1200
1000
800
600
400
200
, МПа
, %
6
5
4
3
2
1
0
1200
1000
800
600
400
200
, МПа
1
2
1,4
, МПа
, %
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
3000
2500
20000
1500
1
0,8
, %
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
3000
2500
20000
1500
1000
500
з
ж
е
д
Р
3
2
1
EMBED KompasFRWFile
EMBED KompasFRWFile
EMBED KompasFRWFile
1
2
2
1
2
, МПа
1000
500