Диссертация (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила), страница 5

Metris X-Tek CT Pro – специальное ПО дляобработки данных (подготовка и выполнение реконструкцииПрограммное обеспечениеиз набора рентгенограмм)4. VG Studio Max 2.1. – программа для визуализациии анализа реконструированной томограммыАппаратное обеспечение2 компьютераУправляющий компьютер2 Графическая станция для построения и работы с3D моделями642.8.3 2 Описание работы системы рентгеновской компьютерной томографииКаждый объект состоит из частиц с различной плотностью Рентгеновскоеизлучение, проходя сквозь каждую частицу объекта, теряет мощность ирегистрируется ячейками матрицы приемникаКаждый элемент (пиксель)приемника регистрирует интенсивность рентгеновского излученияполучают при разных углах поворота объекта отколичество снимков более 3каждыйПолнаяСнимкидо 36  Оптимальное, состоящих из 2 48 × 2 48= 4 194 3 4 пикселейматематическаятрѐхмернаямодель,получаемаяприреконструкции состоит из 8,6 млрд трѐхмерных кубиков с рассчитаннымзначением серого цвета в диапазоне от(черный цвет) до 65536 (белый цвет)пропорционально рентгеновской плотности частицы исследуемого объекта,которая, в свою очередь, прямо пропорционально зависит от номеров атомовсоставляющих частицу в периодической системе химических элементовМенделеева и от физической плотности частицы125431 – рентгеновская трубка, 2 – вольфрамовая мишень-излучатель, 3 – манипулятор, 4– объект исследования, 5 – плоскопанельный детекторРисунок 2- Схема камеры для проведения рентгеновской промышленнойтомографии65Рисунок 2- Кольцо из пирографита на томографии2.8.3 3 Выбор режима контроляВыбор режима зависит от нескольких факторов:- материала объекта контроля;- размеров объекта;- производительности контроля;- требуемого разрешения полученной томограммы;Для исследуемых контрольных образцов применим весь диапазон возможныхнапряжений на рентгеновской трубке от 5 до 225 кВ Размеры предполагаемого вбудущем объекта контроля определяют минимально возможное разрешение (длявтулок внешним диаметром 9 ,6 мм – 6 мкм, для колец внешним диаметром2,8 мм – 7излучениямкм); исходя из этого размер фокусного пятна на источникемкм достаточен Остальные параметры (количество накапливаемыхизображений, время накопления одного изображения, сила тока на трубке)устанавливаетсяоптимальнымидляподобныхкомпозиты, графиты):- напряжение на рентгеновской трубке – 7 кВ;- сила тока – 3 мкА;- количество кадров – 3200;материалов(углеродные66- время набора одного кадра -мкс2.9 Уплотнение полученных углеродных каркасов2.9.1 Жидкофазное уплотнениеВ промышленности наиболее широкое распространение получило уплотнениепропиткой каменноугольным пеком В зависимости от того, какой плотностинеобходимо достичь и какова плотность исходной заготовки, применяютсямногократные пропитки с промежуточными обжигами и конечной графитациейПоследовательность операций процесса пропитки заготовок каменноугольнымпеком такова:нагрев заготовок до температуры 25 —29 °С;помещение в автоклав и откачка его вакуум-насосом;заполнение автоклава жидким пеком;выдержка заготовок в жидком пеке под давлением;слив пека;охлаждение;обжиг заготовокПривесы после пропитки зависят от глубины вакуума, давления в автоклаве,вязкости пекаТехнология жидкофазного насыщения производилась в соответствии сТП93228785 «Насыщение каркасов 4Д УП… пековой матрицей» ипредставляла собой последовательность из трех циклов пропитки и карбонизацииподдавлениемВкачествепропиточногопрекурсорасреднетемпературный каменноугольный пек ГОСТ2былвыбран, который обладаетменьшей вязкостью по сравнению с высокотемпературным пеком и позволяетполучить наибольшие значения плотности композитаРежим пропитки пеком:- вакуумирование - около 4Па;- температура пропитки - 26 °С;- давление в камере пропитки - 3 МПа;67- время пропитки - 2 ч;- пропитывающий материал - среднетемпературный каменноугольныйпекПроцесс заливки каркасов пеком производили в вакуумной камереБлок-схема установки представлена на рисунке 2 21 – стекло обзорное; 2 – блок управления; 3 – термодатчик; 4 – манометр; 5 – воронкапекодатчика; 6 – хомутовый нагреватель; 7 – расплав пека; 8 – стакан; 9 – запорный кран; –кран в атмосферу;– вакуумный насос; 2 – термопараРисунок 2 2 – Схема пропитки пекомНа рисунке 2 3 приведен внешний вид установки для пропитки пекомРисунок 2 3 –Внешний видустановки дляпропитки пеком68Послепропиткипекомзаготовки передавалисьнакарбонизациюКарбонизация пропитанных заготовок проводилась на промышленной установкекарбонизации под давлением Режим карбонизации:- температура - (± 2 ) °С;- скорость подъѐма температуры - 2 град/ч;- давление в карбонизаторе - 4 МПа;- защитная среда - азотНа рисунке 2 4 приведен внешний вид установки для карбонизации поддавлениемРисунок 2.14 - Внешний вид установки для карбонизации под давлениемМежду циклами пропитки и карбонизации проводилась графитизациякаркасов на основе УНН на установке СШВ ,7 ,5 2,2 при следующих режимах:- вакуумирование - 3  10-3 МПа;- защитный газ - аргон;- температура процесса - 2 5 °С;- скорость подъѐма температуры - 40-5 град/ч;- время процесса - 48 ч;Последовательные циклы пропитки и карбонизации проводились от 2 до 7 раздо достижения необходимой плотности УУКМ Между циклами пековых пропитоки ВТО заготовки УУКМ обрабатывались на фрезерном станке «как чисто»Полученные после завершающего цикла уплотнения УУКМ имели плотность691,8- ,9 г/см3, после чего проводилась их чистовая мехобработка для последующегоизготовления образцов для испытаний2.9.2 Газофазное уплотнениеДругим способом уплотнения полученных углеродных каркасов являлосьуплотнение пиролитическим углеродом, которое проводилось из газовой фазыметана термоградиентным способом Образующаяся в объеме каркаса пригазофазном уплотнении пироуглеродная матрица традиционно считается одним излучшихпротивоэрозионныхматериаловУплотнениепроводилосьнапромышленной установке «Агат-3,2» (рисунок 2 5).абРисунок 2 5 – Внешний вид печи «Агат-3 2» (а) и садки внутри реактора (б)Углеродные каркасы закрепляли на токопроводящем стержне из УУКМсоответствующего внутреннего диаметра (Ø5 мм), краевые участки садки заполнялинизкоплотным балластным углеродным материалом (рисунок 2 6)70Рисунок 2 6 – Внешний вид садки перед процессом уплотненияРасчетное время насыщения составляло 27 ч при температуре3 °С (притолщине стенки каркаса около 67 мм скорость осаждения пироуглерода,25 мм/ч),что в несколько раз меньше суммарного рабочего цикла уплотнения УУКМ изжидкой фазы Внешний вид садки в реакторе установки показан на рисунке 2 5 (б)2.10 Определение теплоэрозионной стойкостиТеплоэрозионную стойкость полученных высокоплотных УУКМ определялина базе оборудования ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»: на плазмотроне «Звезда» ввоздушно-спиртовойсмесипособственнойметодикесоследующимипараметрами: температура торможения смеси – (345 -358 ) К; давлениеторможения ,8 - 2,3 МПа; расход спирта ( , 5- , 8) кг/с; расход воздуха ( ,26- ,276) кг/с; соотношение спирта и суммарного расхода газовой смеси – ( 5-25) %;время испытанийот 5, с до 8, с; температура стенки в области критическогосечения вкладыша – около 24 °С ; на экспериментальной установке на базетвердотопливного газогенератора 2ЭД43, установленной на стенде УТТ, согласнопрограмме и методике проведения испытаний (огневых) макетных образцов6- 4/33 от3 2 7 при следующих условиях: марка топлива Т9БК8;длительность воздействия потока – дос; температура продуктов сгорания – 345 К;давление в камере сгорания – 5,6-5,7 МПа; давление разрыва шпилек – до,МПа; номинальный расход топлива – ,9 кг/с; расход рабочего газа – (5,7± ,2) кг/с712.11Определениефизико-механическихитеплофизическиххарактеристикФизико-механические (ФМХ) и теплофизические характеристики (ТФХ)высокоплотных образцов УУКМ определяли на следующем аттестованномиспытательном оборудовании по стандартным методикам (таблица 2 2)Таблица 2 2 - Оборудование и методики по определению ФМХ и ТФХХарактеристикаОборудованиеПредел прочности при растяжении Испытательнаямашинаи модуль упругостиZwick 1474, Zwick 1464,экстензометр Schenck 437Предел прочности при сжатииИспытательнаямашинаZwick 1474, динамометрZwick 474кНТеплопроводность при 5 °СПрибор «А-26М»ТКЛР в интервале температур от Термомеханический2 до 4 °Санализатор «Q-4 EM»ГазопроницаемостьСтенд измерениягазопроницаемостиМетодикаОСТ 92-1459-77,ОСТ 92-1461-77ОСТ 92-1460-77МВИ 7443-1-85ГОСТ 326 8 2-2014Методика932-0226-97-201572ГЛАВА3.РАЗРАБОТКАТЕХНОЛОГИИПОЛУЧЕНИЯАРМИРУЮЩЕГО УГЛЕРОДНОГО КАРКАСА ИЗ ОКИСЛЕННОГО ПАНА3.1 Исследование возможностей применения окисленного ПАНа приформировании массивных армирующих каркасовИсследованы возможности применения используемого в работе окисленногоПАНа при формировании массивных каркасов для последующего полученияУУКМ, его поведение при термообработках, особенности микроструктуры наразличных технологических стадиях; представлена технология полученияоднородного полимерного каркаса из «ОКСИПАНа» и армирующего углеродногокаркаса на его основе; исследованы механические свойства при растяженииполученных элементарных углеродных волоконИсследовано поведение используемого в работе холста «ОКСИПАН» принагреве до температуры 35°С методом ДСК-калориметрииРезультатыисследования не показали выделения тепла до температур (22 -25 ) °С(рисунок 3 ) Сравнение с литературными данными [134], полученными дляобразцов ПАН с различной степенью окисления (см рис 1.23,) свидетельствует отом, что используемый в работе «ОКСИПАН» имеет степень окисления между 75 и100%.73Рисунок 3 1 – Результаты анализа ДСК полотна «ОКСИПАН» вОАО «Композит»Однако по результатам проведенной ИК-спектрометрии используемого вработе волокна (рисунок 3 2), выявлена интенсивность пиков на полосахпоглощения 2870-293см-1, относящаяся к структурной группе-C-H-, и на2241-2243 см-1, соответствующая колебаниям связи в нитрильной группе -C≡N-, чтосвидетельствует о неполном прохождении как реакций циклизации нитрильныхгрупп, так и дегидрогенизации и после предварительного окисления исходного(белого) ПАНаНормированная интенсивность74Волновое число, см-1Рисунок 3 2 – Исследование «ОКСИПАНа» методом ИК-спектроскопииРезультаты ИКС подтверждаются анализом концентрации парамагнитныхцентров (ПМЦ), проведенным методом электронного парамагнитного резонанса(таблица 3 )75Таблица 3– Сравнение свойств исходного волокна для «ОКСИПАНа» иштатного окисленного ПАН-жгута, производимого в ООО «Саратоворгсинтез»*Наименование образцап/п12Гидростатическаяплотность, г/см3Исходное штапелированное®ПАН-волокно PyronОкисленный ПАН-жгут(«Саратоворгсинтез»)ПМЦ [R]·спин/г1,374,71,3923,017,*Исследование проведено в ООО «Углехимволокно» под руководствомк т н М Б РадишевскогоКак видно из таблицы, плотность,37 г/см3 и значение ПМЦ – 4,7характеризуют исходное сырье как недоокисленное3.2 Получение полимерных иглопробивных заготовок из нетканогохолста «ОКСИПАН» и уплотнение3.2.1 Получение и уплотнение полимерных заготовокНа основе нетканого холста «ОКСИПАН» иглопробивным способом полученымассивные полимерные заготовки в виде плит различной толщины и полыхцилиндров объемной плотностью около ,2 г/см3 (рисунок 3 3).абРисунок 3 3 – Внешний вид полимерных заготовок в виде плит (а) и в видецилиндров (б)76Поскольку для армирующего углеродного каркаса конструкционногокомпозита плотность составляет не менее ( ,5- ,6) г/см3, необходимо дальнейшееуплотнение полимерного каркаса, которое проводилось методом прессования напредварительно прогретом прессе Возможность его использования обусловленаприсутствием в штапельных волокнах ПАНа замасливателя типа этоксилатажирных спиртов для обеспечения их расчеса, который, подплавляясь, скрепляетПАН-волокнапослеохлаждения,чтоподтвержденоисследованиеммикроструктуры методом сканирующей электронной микроскопии (рисунок 3 4).абРисунок 3 4 – Микроструктура волокон каркаса, покрытых подплавленнымзамасливателем, после прессования (а) и после термостабилизации (б)3.2.2 Определение диапазона плотности прессованияЭкспериментально установлены технологические параметры прессования взакрытой пресс-форме: температура ( 5 - 6 ) °С, скорость нагревадо 5 °С /ч,продолжительность нагрева зависит от массы заготовки, находясь в пределах от 4до 2 мин Определен интервал значения плотности заготовок спрессованногокаркаса (от ,7 г/см3 до ,9 г/см3), при котором обеспечивается устойчивость слоеви не возникает структурных макродефектовтрещин и расслоений, чтоподтверждено исследованием структуры методом рентгеновской компьютернойтомографии (рисунок 3 5).77абвРисунок 3.5 – Структура спрессованного до объемной плотности ,62 г/см³ каркасапосле карбонизации (а); фото и рентгеновская томограмма каркаса плотностью,24 г/см³ (б); рентгеновская томограмма бездефектного каркаса, спрессованногодо объемной плотности ,8 г/см³ (в)Выявлено, что меньшая плотность заготовки приводит к потере устойчивостислоев и не позволяет достичь конструкционной прочности армирующего каркаса(рис 3 5 а), а бóльшие значения плотности приводят к перепрессовке, в результатекоторой затрудняется отвод летучих соединений при термообработке, что ведет кнеизбежному возникновению трещин или расслоений (рис 3 5 б)3.2.3 Определение закономерностей прессования применительно кразличным направлениям прессования относительно укладки иглопробитыххолстовПрессование предварительно нарезанных сабельным электрическим ножомобразцов прямоугольного сечения размерами около 6 × 6 × 3 мм, объемнойплотностью ( ,23± , 2) г/см3 производилось в закрытой пресс-форме Часть образцов78быланарезанатакимобразом,чтобыусилиесжатияприкладывалосьперпендикулярно плоскости укладки прошитых иглопробиванием слоев полимерныххолстов, а другая часть образцов - таким образом, чтобы оно прикладывалосьпараллельно плоскости укладки холстов (рисунок 3 6).Рисунок 3 6 – Образец с укладкой слоев в продольном направленииотносительно приложения усилия сжатия в пресс-формеИзмерение перемещения в зависимости от приложенной нагрузки велось припомощи измерительного комплекса испытательной машины Zwick 1474 (рисунок3.7) Максимальная нагрузка при испытаниях составила 25 тРисунок 3 7 – Размещение пресс-формы с образцом в испытательной машине79Установлено, что прессование при приложении усилия сжатия по нормали кплоскости укладки слоев полимерных холстов происходит легче и сопровождаетсябОльшими перемещениями, чем в случае приложения усилия сжатия параллельноплоскости укладки (рисунок 3 8).Рисунок 3 8 – Сводная диаграмма напряжения четырех образцов с двумя типамиукладки слоевНаблюдаемый характер поведения материала объясняется тем, что приприложении нагрузки по нормали к плоскости укладки слоев первоначальноуплотнение происходит за счет ликвидации межслоевых воздушных прослоек, а наследующей стадии – за счет гибкой деформации относительно тонких армирующихволокон, связывающих слои монохолстов после иглопробиванияВ случаеприложения усилия сжатия параллельно плоскости укладки слоев деформация спервого момента приложения усилия передается на торцы прошитых монохолстов,которые одновременно деформируются по гибкому механизму уже на начальнойстадии80Определены три характерных участка диаграммы (соответствующие интерваламзначений перемещения траверсы (0-8) мм, (8-20) мм, и (2 -22,5) мм) Установлено,что на первом и третьем участке функция имеет линейную, а на втором участке –экспоненциальную зависимость Для обработки полученных экспериментальныхданных на каждом из характерных участков диаграммы производилось усреднениеграфиков для выборки образцов обоих типов (образцыи 3 сжимались поперекплоскости укладки слоев; образцы 2 и 4 – параллельно (вдоль) плоскости укладкислоев).