Диссертация (1024691), страница 10
Текст из файла (страница 10)
При этом криостат должен обеспечить требуемый по времениресурс работы, прохождение и минимальные искажения регистрируемыхмагнитных сигналов, т.е. быть магнитопрозрачным в заданной полосе частот, ибыть предельно малошумящим. Эти характеристики определяются свойствамииспользуемых в конструкции криостата материалов, которые должны обладатькомплексом взаимопротиворечивых свойств: высокой магнитопрозрачностью ипрочностью; низкими магнитной восприимчивостью, электропроводностью итеплопроводностью;малымгазовыделением,газопроницаемостьюикоэффициентом теплового расширения (КТР) оболочек и клеевых швов;устойчивостью к многократному термоциклированию. Важнейшую роль присоздании криостатов также играют характеристики экранно-вакуумной тепловойизоляции (ЭВТИ), которые рассмотрены ниже.Современныйкриостатпредставляетсобойприбордлядлительноготермостатирования изделий при температурах ниже 120 К. В его конструкциисохраняютсяосновныеэлементысосудаДьюара:наличиезащитной52вакуумированной полости, отражательных экранов (с низкой степенью черноты)и криосорбционного насоса (для поддержания вакуума).
Резкое повышениетепловой эффективности криостатов произошло после размещения в вакуумнойполости между оболочками экранно-вакуумной теплоизоляции - ЭВТИ.Новый этап в повышении тепловой эффективности и создании безазотныхгелиевых криостатов наступил в связи с использованием тепловых экранов,охлаждаемыхпарамигелия(рисунок2.1).Дополнительноеснижениетеплопритока внутрь криостатов обеспечила замена в них металлическихгорловин на стеклопластиковые [89]. В криостатах небольших размеровзначительное упрощение конструкции, снижение трудоемкости и веса былодостигнуто переходом к «безэкранному» методу использования холода паровхладагента путем организации хорошего контакта всех экранов ЭВТИ сдренажной горловиной по всей ее длине [90, 91].
Такой подход и явилсятехнической основой для создания современных магниторадиопрозрачныхстеклопластиковых криостатов для жидкого гелия и азота.Схема сосуда Дьюара1 — подставка2 — вакуумированная полость3 — теплоизоляция4 — сорбент5 — наружный сосуд6 — внутренний сосуд7 — горловина8 — крышка9 — трубка для вакуумированияРисунок 2.1 – Схема «безазотного» сосуда Дьюара532.1.1 Стеклопластики для оболочек криостатовПри разработке и создании стеклопластиковых криостатов особые требованияпредъявляются к стеклопластикам для изготовления оболочек криостатов,которые должны обладать высокой и стабильной прочностью в широкомдиапазоне температур (4 - 400 Кельвин), и максимальной технологичностью приформовании и механической обработке. Многолетний опыт разработки иэксплуатации стеклопластиковых криостатов показал, что в приемлемой степениэтим требованиям удовлетворяют стеклопластики на основе фенольных иэпоксидныхсмолистеклотканей,изготовленныхизбесщелочныхалюмоборосиликатных стекол.
В свою очередь, необходимой для изготовленияоболочек криостатов технологичностью обладает метод тканевой намоткиоболочек из препрега в сочетании с донышками из прессованных материаловуказанных составов.Высокойпрочностью ихорошими вакуумнымисвойствами обладаютстеклопластики и стеклотекстолиты типа СТЭФ на связующем типа ЭП5122. Дляних характерны относительно простая технология изготовления оболочек,высокая стойкость к термоциклированию и вакуумные свойства. В частности,такие оболочки демонстрируют газопроницаемость по гелию на уровне 10 -10-10-11см3×см/см2×с×атм., однако этот параметр сильно зависит от соблюдениятехнологии изготовления и толщины материала стеклоткани.Для создания магнитопрозрачных криостатов было необходимо решить задачуразработкитехнологииформированиястеклопластиковыхцилиндрическихоболочек с предельно высокими прочностными и вакуумными свойствами.
Вомногих отраслях промышленности при изготовлении конструкций из армированныхкомпозиционных материалов (например, стоек ферм, стержней, опор, труб, емкостей снаполнителем в виде стеклянных, органических или углеродных нитей) используютсятехнологииизготовленияпрепрегов-полуфабрикатов,представляющихсобой54волокнистый наполнитель, пропитанный связующим в определенном весовомсоотношении [92].Известно несколько способов изготовления препрегов. Наиболее распространеннымиз них является способ, заключающийся в пропускании волокнистого наполнителя ввиде нити, жгута или ленты через ванну с раствором связующего. Пропитка наполнителяосуществляется методом свободного насоса связующего или с использованиемотжимного устройства [93].Процесс пропитки наполнителя делится на две стадии, которые нередко совмещаютсяво времени.
Первая стадия - нанесение слоя жидкого связующего на поверхностьнаполнителя, вторая - пропитка наполнителя, т.е. проникновение связующего вглубьструктурыматериала.Вторая,технологическаястадия,являетсятипичнымдиффузионным процессом [94]. Проникновению связующего вглубь структурыпропитываемого материала препятствует воздух, находящийся внутри наполнителя,который создает напор сопротивления. Причем последний увеличивается по мерепроникновения связующего в структуру нитей наполнителя.
Поэтому для улучшениякачества пропитки и уменьшения газовых включений в структуре готовыхстеклопластиков пропитку целесообразно выполнять под вакуумом [93].Проведенные микроструктурные исследования стеклопластиков показали, что оченьважной характеристикой качества процессов формования, пропитки и отверждениястеклопластиков является относительная пористость материала. Основной причинойпоявления пор является воздух, содержащийся в нитях, лентах, ткани, а также воздух,захватываемый в процессе пропитки.
Кроме того, причиной появления пор могут быть ивоздушные включения, содержащиеся в связующем, количество которых зависит оттипа связующего, скорости намотки при формовании оболочки, вязкости и смачиваемойспособности связующего [94].В промышленности известен способ получения ленточного препрега, заключающийсяв непрерывном сматывании нитей со шпулей с большой скоростью (около 20 м/мин.), ипропускании их через ванну с жидким связующим, где они пропитываются.
Затемпомощью специального раскладчика нити формируют в ленту и загружают всушильную камеру. Далее подсушенная лента сматывается на приемную бобину с55прокладыванием между ее слоями разделительной бумаги, предохраняющей препрег отвозможного склеивания [92].К недостаткам данного способа изготовления препрега можно отнести имеющиеместо повреждения волокон нитей в процессе их прохождения через вращающиеся итрущиеся направляющие, отжимные валики в пропиточной ванне и сушильной камере.Также при больших скоростях движения нитей длительность пропитки невелика, исцепление волокон со связующим оказывается недостаточным, что приводит ксущественной неоднородности пропитки волокнистого наполнителя препрега.Одним из возможных способов изготовления препрега для использования приформировании стеклопластиковых оболочек криостатов являлся способ, предложенныйавторами в работе [92].
В предложенном способе наиболее важным этапом являлосьвакуумирование нитяного наполнителя, образующего препрег, его сушка и пропитка ввакуумной камере.Способ заключался в следующем: наполнитель (стеклонить, находящаяся в вакуумнойкамере), сматывался с бобин, вакуумировался, подсушивался и поступал в ванну сосвязующим, также находящуюся в вакуумной камере. После пропитки связующимнаполнитель проходил отжимное устройство, сушильную печь, калибрующееустройство и наматывался на барабан. Целью вакуумирования являлось удалениегазовых включений из микротрещин и межволоконного пространства в нитяхнаполнителя для свободного проникновения в них связующего, а также обезгаживаниесамого связующего. Для изготовления препрега использовалась специальная установка,которая содержала вакуумную камеру, вакуумный насос, нагреватель, компенсаторуровня связующего, отжимное устройство с разделительной пленкой, калибрующееустройство, нагреватель, ресивер, фильтр, вакуумный затвор, ванну со связующим,шпулярник с нитяным наполнителем, распределительный барабан.Недостатком способа являлось то обстоятельство, что не все микротрещины имежволоконные пространства успевали заполниться связующим, что приводило кснижению герметичности готовых изделий, а к недостаткам установки можно отнестималое время обезгаживания наполнителя, ее большие габариты и стоимость.
Кроме того,движущийся наполнитель, погружаясь в связующее, в основном покрывался им только56снаружи, и не происходило полного проникновения связующего в межволоконноепространство. Таким образом, воздух из наполнителя удалялся не полностью.Поэтому для создания стеклопластиковых оболочек с требуемыми свойствами погазопроницаемости и прочности было необходимо решить задачу разработкитехнологического процесса подготовки препрега, который обеспечил бы улучшениекачества пропитки волокон наполнителя в препреге, снижение количества остаточныхгазов в наполнителе перед началом пропитки, что позволило бы существенно повыситьгерметичность изготавливаемых из препрега оболочек.Для решения указанной проблемы был разработан более совершенный способизготовления препрега и специальная установка для его осуществления. Процессизготовления препрега включал следующие этапы: а) намотку «сухого» наполнителя наоправку в бобины; б) вакуумирование и заполнение наполнителя связующим вспециальной вакуумной камере; в) намотку пропитанного связующим наполнителя наспециальную оправку и ее извлечение из камеры.Общий вид установки для изготовления препрега представлен на рисунке 2.2.Установка включала в свой состав вакуумную камеру, вакуумный насос, вакуумныйвентиль и манометр, а также емкость со связующим.
Над емкостью со связующем наметаллическом стержне располагалась грузовая платформа из перфорированныхалюминиевых дисков для размещения бобин с наполнителем. Центральный стерженьбыл связан с механизмом погружения платформы в связующее. На диски грузовойплатформы устанавливались бобины с наполнителем, а между оправками бобин ицентральным стержнем располагались дополнительные грузовые диски. Объемсвязующего в камере был достаточным для полной пропитки бобин с наполнителем.Бобины с наполнителем полностью погружались в связующее, и в камере проводилосьпоследующее вакуумирование наполнителя и связующего в течение 4-х часов приостаточном давлении не выше 10 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
