Диссертация (Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления), страница 7

Обжатие КМ приего отверждении, обеспечивающее монолитизацию материала и получениеизделий с улучшенными физико-механическими свойствами, нередко проводят ипри использовании других видов связующих. Для этих целей кроме автоклавногоприменяют следующие формования: [2,3,4,19,21,23,25]вакуумное с эластичной диафрагмой;под действием теплового расширения;с обжатием термоусаживающейся лентой.Первый из этих способов используют в тех случаях, когда нельзя применятьавтоклавы из-за больших геометрических размеров изделия, например, для трубдлиной около 10м и выше. Основные стадии такого процесса заключаются впослойной укладке материала, подготовке системы отверстий для выпуска газов,излишковсвязующегоиформованиинадеваемойсверхудиафрагмы.Эластичную диафрагму, соответствующую конфигурации формуемой детали,размещают над уложенными слоями материала, подключают к выпускнойсистеме, вакуумной линии и уплотняют по линии стыка. Обычно сначала создаютнебольшой вакуум, чтобы разгладить поверхность диафрагмы, а затем48окончательно вакуумируют и нагревают систему.

В большинстве случаев вакуумподдерживается на протяжении всего цикла нагрева и охлаждения.Один из методов формования под действием теплового расширениязаключается в намотке нескольких слоев резины, например, силиконовой, нанамотанные или уложенные слои композиционного материала и в размещениивсего этого пакета в металлическую жесткую форму, которую, в свою очередь,помещают в нагревательную печь. При повышении температуры резиноваямасса расширяется в большей степени, чем ограничивающая ее металлическаяоснастка, что вызывает давление на отверждаемый материал.

Благодаря этомуотпадает необходимость в приложении внешнего давления, как это делается приавтоклавном формовании. При использовании силиконовой резины нетребуется применять дополнительную антиадгезионную подложку, так как этарезина обладает низкой адгезией к большинству применяемых связующих. Еслимасса резины при таком обжатии выбрана без учета объема внутренней полостиохватывающей оснастки, может развиться очень высокое давление - до 5,6МПа.Тканыелентыизкремнеземныхнитейобладаютспособностьюусаживаться (уменьшать свою длину на 5-7 %) при нагревании до 500-600 К.Подобные ленты применяют для уплотнения материала, намотанного нажесткую технологическую оправку, при его отверждении в нагревательнойпечи. Если у витков термоусаживающейся ленты отсутствует возможностьвзаимного проскальзывания, то, укорачиваясь, они обеспечивают прижатиерасположенного под ними слоистого материала к оправке, монолитизируютего, в результате чего повышаются физико-механические характеристикиизделия.Широко распространенная термообработка изделий в печах с цельюотверждения связующего в КМ наряду с простотой обладает и рядомтехнических недостатков.Во-первых, очень много времени и энергии расходуется на разогрев ивыдержку изделия при расчетных температурах.

Во-вторых, возникают49технические трудности с отверждением изделий, имеющих большие габариты,из-за отсутствия соответствующих печей. Кроме того, при отверждениитолстостенных изделий трудно разогреть только наружную поверхность.Все эти недостатки значительно снижают эффективность и коэффициентполезного действия применяемых в настоящее время печей и вынуждаютисследователей искать другие источники нагрева и методы отвержденияполимерных смол.Один из наиболее перспективных методов - разогрев связующего подвоздействием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, при которомдипольные молекулы полимера, колеблющиеся синхронно изменению частоты,за счет внутреннего трения очень быстро разогреваются до высоких температуродновременно во всем объеме изделия. Интересными также являютсяисследования по радиационно-химическому отверждению связующих поддействием ускоренных электронов. Имеется информация о том, что применениепоследнего метода обеспечивает не только ускорение процесса, но иповышение физико-механических параметров материала.Иногда для ускорения процесса отверждения, например при массовомвыпуске изделий, в связующее добавляют катализаторы, активные химическиедобавки,способствующиесущественномуубыстрениюпроцессаполимеризации.

Известны случаи, когда под воздействием таких добавок иинтенсивного дополнительного нагрева изделий при помощи кварцевых лампотверждение связующего осуществлялось за 15-20 мин [5].2.4.Исходные материалы для изготовления сверхлегких баллоноввысокого давленияВысказанные ранее требования к конструкционным параметрам баллоноввысокого давления, из которых основным является весовое совершенство,позволяютматериалам:сформулироватьследующиетребованиякисходным50Армирующие материалы должны обладать максимальнымипрочностными свойствами на разрыв. Это жгуты и ровинги [5].Армирующие материалы должны иметь аппретирующуюобработку под используемое связующее для обеспечения хорошейсмачиваемости и пропитанности [5].Вкачествеполимернойматрицыиспользуютсятермореактивные полимеры, имеющие сетчатую химическую структуру,макромолекулыкоторойсоединенныепоперечнымиковалентнымисвязями имеют наибольшую прочность по сравнению с другимиполимерами, Наибольшую популярность получили эпоксидные смолы(табл.2.4.1-2.4.2) как наиболее прочные (до температуры эксплуатации150°С) и технологичные при намотке баллонов [5].Таблица 2.4.1Свойства отвержденных полимерных матриц[5]СвойстваПолиэфирные (из Фенолоальдеолигомалеинатов) гидныеЭпоксидныеКремнийорганическиеПолиимидные, г / см 3ЕВИ , ГПа1,1-1,462,0-3,21,5-4,51,2-1,361,4-4,31,4-6,81,1-1,43,0-3,31,9-5,01,15-1,364,2-4,51,5-3,71,2-1,453,2-5,03,2-5,5, МПа23,5-68,522,5-78,327,4-1406,8-34,290-95, МПа50,0-25068,5-20585-27449-103250-28010,8-12745-11858,8-1576,8-9680-1400,5-6,00,4-3,01,2-10,00,3-1,51,0-4,02,0-10,72,0-11,32,9-24,52,3-5,44,0-12,060-9060-8048-8020-4050-584-150,5-7,00,5-3,62,1-4,30,5-2,00,15-0,60,15-0,60,03-0,30,05-0,20,01-0,60,12-0,230,23-0,270,17-0,210,4-0,60,35-0,374,1-4,53-53,2-4,52,6-4,23,4-3,810131012 10131014 10150,001-0,0250,0010,005Е , ГПаВИ, МПа,%а к , кДж / м210 , КУсадкаприотверждении, %Водопоглащениеза 24ч, %, Вт / м КДиэлектрическаяпроницаемостьпри 10 6 ГцV , Ом мТангенсугладиэлектрическихпотерь6110126 10130,022-0,02410 910100,015-0,0358 10140,01-0,0351Электрическаяпрочность, МВ/м12-1912-1615-2520-3020-30Продолжение табл.2.4.1СвойстваПолиэфирные (изолигомалеинатов)ДеформационнаятеплостойкостьпоМартенсу, 45-60Т м , ºСФенолоальдегидныеЭпоксидныеКремнийорганическиеПолиимидные140-180140-150250-280250-370Таблица 2.4.2Значения упругопрочностных и деформационных свойств эпоксидных матриц.Матрицыэпоксидные стемпературойотверждения,ºС20-50120180В, МПаЕ , ГПа7590603,22,72,3таблицестеклоровингов,2.4.3которые, г / см 3,%4,88,53,3представленыиспользуются1,161,211,15основныедля10 6 , К1606865характеристикиизготовленияизделийметодами намотки.

Для изготовления баллона БК-7 целесообразноиспользовать ровинги с линейной плотностью 800...1200 текс, что связанос получением более плотной упаковки волокнистой структуры и спроизводительностью. [5]Таблица 2.4.3Основные характеристики стеклоровингов из стеклянных нитейМаркаНазначениеРезультирующаяленейнаяплотность, тексРБН 10-42078РБН 10-84078РБН101260-78РБН102520-78РВМН 10420-78РВМН 101260-78Для420±35изготовленияизделий из СП840±70методаминамоткии1260±88протяжкиРазрывнаянагрузка,Н, не менее2004004502520±1768004202401260800Массовая доля Массоваязамасливателя,доля%влаги неболее, %0,7-1,20,552РВМН 101680-78РВМН 102520-781680100025201500В таблице 2.4.4 представлены сравнительные свойства органическихволокон в сравнении с углеродным высокопрочным и стекляннымвысокомодульным.

Исходя из приведенных данных, характеристики,удовлетворяющиенамоточнымконструкциям,имеютволокнаизарамидных сополимеров (Армос) и ПФБТ (Полифениленбензтиазол).Однако сложное и дорогостоящее производство и высокая стоимостьорганожгутов не позволяют их использовать для намотки баллонов [5].В настоящее время изготавливаются высокопрочные углеродныеволокнасвысокиммодулемупругости,которыепозволяютихиспользовать в углепластиках для силовой оболочки в комбинированныхбаллонах давления. Для баллона БК-8 был выбран углеродный жгут Т-700с линейной плотностью 800 текс [5].Таблица 2.4.4Углеродные материалы, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами[5]ФирмаМаркаГеркулесГеркулес Инкорпорейшн графит Фиберз AS6Бизнес СентерIM6HMТорнелТ-300Т-500Юнион Карбид КорпорешнТ-700Р-75Р-100ТорейкаТ300Т800Торей Индастриз ИнкорпорейшенТ1000М40М50М60БесфайтST-3ТОХОHM-40HM-453M-500, МПаЕ, ГПа, г / см 3Сырье4137437827552432783791.831.831.84ПАНПАНПАН320036504550210022002282412485207241,701,791,812,002,15ПАНПАНПАНПЕКПЕК3500570072002800250039002353003004005006001,761,811,821,811,911,94ПАНПАНПАНПЕКПЕКПЕК44002600220048002404004503001.771.831.901.77ПАНПАНПАНПАН53Карбалол3-200032603-45003060Ниппон Карбен2452351,771,77ПАНПАНПродолжение табл.