книга (Буланов И.М., Воробей В.В., 1998 - Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов), страница 5

температурпо-временные и силовые режимы (вытягивание волокон). Добавки-катализаторы вводят либо в исходное волокно, либо ээодают в печь вместе с газом-носителем. Катачизато1эы в виде различньэх фосфатов, хлорилов, с>льфатов повышают содержание углерода и снижают продолжительность карбонизации. Процесс карбонизации проводят в защитных средах нейтральных газов азота или аргона, которые предотвращают воздействие на целлюлозу кислорода воздуха Графитизация — стадия технологического процесса, на которой углеродный волокна подвергаются высокотемпера7урной обработке. Начальная температура графитизании определяется конечной температурой карбоннзации, а коночная же температура находится в пределах 2600...2800 "С.

В пропессс графитизации происходит обогащение волокон углеродом ло содержания не менее 99 %. Графитизацию проводят в среде аргона зв очень короткое время (несколько минут). Важным этапом я производстве углеродных волокон стало применсннс вытягивания на стадии превращения целлюлозных 29 Х б 7 у4 Уие. 1.5. Непрерывные схемы карбонизации с различными варнантамн вытягивания волокна. с — вытягивание на второй н третьей стадиях термической обработки; е — вытягивание на второй сптлнн обработки; а — вытягивание ив третьей сталин обработки, ! — иитвквпсе устройства; 2— ванне лля нанесения катализатора; У вЂ” первая печь; 4, т- тянугяне ролики; 5, 9 — направляющие ролики, -6, И вЂ” грузы; !в вторая печь; г! — третья печь 4 4 т Ю г! г г с .г у 4 п ю 4 7 Ф у г! Э! 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОненты волокон и углерадные.

Вытягивание значительна улучшает прочностные и упругие свойства волокон (рис, 1.5, а — н). Первая стадия карбонизации проход,ит лри температуре 200.. 300оС в условиях свободной усадки На этой стадии материал малапрсвген и асушествить ега вьггягиванне не представляется возможным. Продолжительность термической обработки не более 30 мин. содержание углерод» в материале 50 .60 %. Вторая стадия осуществляется при температурах 500.. 1000 оС; содержание углерода в материале повышается до 70...85 %, во>юкио вытягивается. Наконец, па третьей стадии температура повышается да 1500 оС, содержание углерода в волокне увеличивается примерно до 100 %.

Процесс проводится при вытягивании. Нагрузка на второй стадии обработки 0,05. 1,5 Н на нить 1! 1...133 текс), а на третьей стадии 0,05...2 Н на нить г72...94 текс). Наряду с гидратцеллюлозпым волокном ПАН-волокна также является основным видам сырья для получения углеродных материалов. Из него изготавливают пивным образам высокопрочные, высокомодульныс углсродные волокна. Одно из преимушеств ПАН-волокна — большое содержание углерода (акала 40 % ат массы полимера). Сталин процесса получения углеродных волокнистых материалов из ПАН-волокна и вискозного сырья аналогичны. Схема совмешенного окисления и карбонизации ПАН-волокна показана на рис.

1.6. 1 2. Арыирующие волокнистые наполннзелн г .У 4 Ю У 1!! у! 1Х !.9 Ркс. Нб. Схема совмешенного окисления н карбонизации ПАН-волокна: ! — шпулярник; 2 — снстелм питаю шил роликов; Я вЂ” впускное устройство, 4— печь окисления; 5 — комплект роликов; 6 '. вентилятор; 7 — выпускнос устройспю; !! — снсгеив тянушнх ролнкогч 9 — приемные вальцы: тб — штуцер для подачи инертного газа; 7! — печь карбонизации; !2 — высокотемпсратурная зона печи карбонизепни-, гЗ вЂ” вакуумная камера; !4 — штуцера длк отвода отлодлших газов Наиболее дешевые и доступные исходные материалы для производства углеродных волокон — нефтяные и каменноугольные пеки, представляюшие собой сложную смесь алигалтерных продуктов.

Процесс получения волокон из псков включает в себя следуюгцие стадии. приготовление пека, фарманание волокна, карбонизацию и графитизацию. Состав и свойства пекав зависят ат их происхождения и могут изменяться в широких поделал Паэтаму н каждом конкретном случае условия подготовки и переработки пека в углерадные волокна могут изменяться Волокна при этом формируют путем прапускания расплава при температуре 370...б20 К через фильеры диаметром 0,3 мм, а затем вытягивают (степень вытяжки составляет 100000.. 500000 %, за счет чего достигается высокая ориентация макрамалекул волокна. Карбонизацию и графитизацию пековых волокон проводят аналогично этим процессам для ПАН-волакан Получение волокон без вытяжки возможно нз мезафазнога пека (система из жидкокристаллической и аморфной фаз), таки~ волокна отличаются более высокими прачнастными паклзателями.

Углерадные волокна, применяемые лля армиравания ко!!струкционных материасюв, условно подразделяют на две группы: высакамадульные (Е~' = 300...700 ГПа, а! = 2...2,5 ГПа) и высоко- 1 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МЛТЕРИЛЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ прочные1Е~ = 200-250 ГПа и а!= 2,5...3,2 ГПа) Механические свойства углеродных волокон 1отечественных и зарубежных) приведены в табл. 1 5 Таблица 15 Механические характеристики утдероднмх волокон 5,46 5.6 1,80 1,8 1 ори ел -ж!0 Хктекс-46 И 2,0 1,7 Торейка Т-300 М-50 1,76 3,53 2,35 1,90 Примечание.

В данном учебнике приведены значении с1, а1, с, нолученнаге 1 на базе 10 мм Из композитов на основе углеродных волокон изготавливают: несущие панели крыла, оперения и фюзеляжи самолета, обшивки трехслойных панелей крупногабаритных антенн, зеркал, работающих в космосе; лопатки турбин, сопловые блоки, носовыс обтекатели, вкладыши критическою сечения ракетных двигателей и многие другие изделия, эксплуатируемые в условиях интенсивного теплового воздействия. 32 ВЭН-210 Кулон ЛУ-2 'ЛУ-3 Л У-4 Урв3а- ! 5 Урал-24 Элур УКН-5001! 1,90 1,70 1,70 1,70 1,5-1,6 !.7-1,8 1,6 1,75 9,9 343 400-600 230 250 г50 — 70-80 — !50-200 150 — !80-230 С111Ь 6,0 273 5,0 322 Япония 8,4 235 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 3.0-3.5 0,4 0,4 1,0 1,1 1,3 2,1 1,! 1,3 0,9 1.2.

Арчируюпгие всююкнистне наполнители Барные волокна Использование барных волокон в компоэитах позволяет обеспечивать высокий уровень прочностных, усталостных характеристик и высокое значение модуля упругости. Наиболее широко распространена технология получения барных волокон на основе количественного осаждения бора из газовой фазы Обычно используют газовую смесь водорода Нг и трихлорича бора НС13. Химическая реакция, приводяшая к выделению элементарного бора, протекает и соответствии со схемой: 2 ВС13+ 3 Нг-+2В+ 6 НС1, при этом только 2 % БС13 разлагается с осаждением бора на основу. Бора вот ьф рамо вые волокна производят в реакторе (рис.

1.7). Бор осаждается на расккаленную пропускаемым током вольфрамовую нить диаметром 12,5 мки при температуре вольфрамовой основы 1350 оС. Этот процесс осуществляется за одну или несколько стадий. Обычно внутренний диаметр реактора составляет около 10 мм. а его длина — около 2 м. Скорость получения барных волокон не превышает 900 граммов за неделю Рис. 1.7, Олена реактора лля по лучсннн бороаолафрамовых волокон одностадийныи методом осюкдения при нагревании / — подакаций намоточный барабан: 2 — штуцер длн подачи газовой смеси; 5 — камера псазгдсния; 4- паупер для удаления газов; 5— прием ныя намоточный барабан; б — злсктрод; Ц, -.

оотенциаль необходимый для на~реванин нити; з - расстояние между злсктродами В промышленности выпускают волокна диаметром 100, 140 и 200 мкм. Чтобы получить продукцию с максимально высокими характеристиками н болыпим содержанием бора, необходимо строга выдерживать скорость осаждения и другие технологические режимы в реакторе Заметим, что температурный профиль в процессе осаждения бора из газовой фазы неравно- мерен по длине волокна в реакторе (Т! > Т3 > Тг), так как по 3 -аез 1.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ мере осаждения бора меняется электрическое сопротивление волокна. Электрасапративлеиие, температура волокна и скорость осаждения бора уменьшаются ат начала к концу реактора. Температурный профиль можно поддерживать практически постоянным, если применить двухствлийную (или более) схему подведения электрического тока к подложке. С целью повышения жаростойкости барных волокон их покрывают карбидам кремния, осажденным из парогазовой фазы в среде аргпна и водорода.

Такие волокна называют барсикам. Барные волокна обладают бпльшей па сравнению с другими типами армирующих волокон сдвигавай жесткостью Модуль сдвига превышает 180 ГПа Прочность барных волокон имеет заметный статистический разброс (каэффициент вариации прочности колеблется в пределах 17.. 36 %). Механические характеристики некоторых типов барных волокон приведены в табл. 1.6. Тобина ! .Ь Мехиинчеехие хиниитернетики венных нилнкон 1.2. Ариируюшие иоиокнистые ниволиители Волокна бора используют в производстве композитов с алюминиевыми н полимерными матрицами. Композиты с алюминиевыми матрицами имеют ряд преимушеств: их могут эксплуатировать при температурах да 640 К и перерабатывать на обычном технологическом оборудовании, используемом в металлургической промышленности. К недостаткам барных волокон следует отнести сложность их переработки методом намотки изделий с малыми радиусами кривизны, а также разков падение механических характеристик при температурах, превышающих 400 "С, в результате окисления бара.

Кроме того бпроволъфрамовые волокна имеют довольно высокую стоимость, что обусловило необходимость изучения возможности использования более дешевых углеродных волокон в качестве основы при получении барных волокон. В настоящее время барокомпазиты применяют в производстве изделий авиационной, ракетной и космической техники, где определяющим критерием качества материала являются удельные значения прочности и жесткости. В основном их используют лдя изготовления стержневых элементов и панелей, а также для усиления профилей и элементов конструкций летательных аппаратов. Использование в компазите барных волокон благодаря нх полупроводниковым свойствам приводит к понижению тепло- и электраправадности. 34 Валаквв карбида кремния Карбндакремниевые волокна ЯС выполняют как на вольфрамовой, так и на углерпднай подложках.