Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими (1026277)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»На правах рукописиБОРОДУЛИН Алексей СергеевичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССАПРОПИТЫВАНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙПОЛИМЕРНЫМИ И ОЛИГОМЕРНЫМИ СВЯЗУЮЩИМИ05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитовДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукМалышева Г.В.Москва 20162 ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………5ГЛАВА 1.14СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА …………..1.1.Современные технологии производства изделий изволокнистых полимерных композиционныхматериалов ……………………………………………1.2.14Методы оценки качества изготовления изделий изволокнистых полимерных композиционныхГЛАВА 2.ГЛАВА 3.материалов…………………………………………….161.3.Основные законы вискозиметрии ……………….…..211.4.Основные законы течения жидкостей в капиллярах..281.5.Методы моделирования процессов течения…………331.6.Цель и задачи исследования …………………………35ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ………….…...372.1.Объекты исследования…………………………….….372.2.Методы исследования ………………………………..39РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙРАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ И СОСТАВА……………..…….3.1.Течение простых жидкостей через волокна врежиме смачивания……………………………………3.2.4242Закономерности течения связующих через волокнав режиме смачивания…………………………………453.3.Фильтрация простых жидкостей через волокна……463.4.Фильтрация эпоксидных связующих через3.5волокна…………………………………………………48Исследование прочности граничных слоев…………513 3.6ГЛАВА 4.Выводы по 3 главе…………………………………….54РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ…………………..4.1.55Реологические свойства углеволокнистыхдисперсно-упрочненных полимерныхкомпозиционных материалов…………….…………..4.2.55Реологические свойства системы полимерноесвязующее-дисперсный металлический4.3.ГЛАВА 5.наполнитель…………………………………………..63Выводы по 4 главе……………………………………72МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯЖИДКОСТИ В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЙ СРЕДЕ……5.1.Основные гипотезы и постановка задачи теченияжидкости в капиллярно-пористой среде…………….5.2.75Моделирование течения жидкостей в капиллярах.Классическая модель………………………………….765.3.Анализ решения в рамках классической модели…....775.4.Моделирование в рамках обобщения уравненийНавье-Стокса-Дарси…………………………………..5.5.5.6ГЛАВА 67582Анализ решения в рамках обобщения уравненийНавье-Стокса-Дарси ….………………………………87Выводы по 5 главе……………………………...……..91ПРИКЛАДНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИКАПИЛЛЯРНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ………...…..934 6.1Технологические приложения результатовисследований волокнистых композитов…………..…6.2.Технологические приложения результатовисследований дисперсно-упрочненных композитов..6.3.93100Технологические приложения результатовматематического моделирования на структуруволокон ………………………………………………..103Выводы по 6 главе ……………………………………106ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ……………………………....107CПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ………….109СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………….……………………………112ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………….1316.45 ВВЕДЕНИЕТрадиционныеметодыизготовлениядеталейизполимерныхкомпозиционных материалов (ПКМ) по препреговой технологии отличаютсявысокойтрудоемкостью.распространениеВполучилипоследнееметодывремяпрямоговсеболееформования,широкоенапример,инфузионная пропитка под вакуумом – VARTM (Vacuum Infusion), которая нетребует предварительного изготовления препрега и при которой процесспропитывания наполнителя совмещен с процессом формования.АКТУАЛЬНОСТЬПроцесс пропитывания является одной из первых технологическихопераций технологического маршрута изготовления деталей из ПКМ и вомногомопределяетихфизико-механическиесвойства.Однакоприиспользовании инфузионной технологии пропитки под вакуумом оценкакачества ПКМ на промежуточных стадиях изготовления изделий затруднена.Это требует новых подходов к управлению технологией пропитываниянаполнителей различной природы и геометрических размеров.Течение жидкостей в капиллярно-пористом пространстве армирующего(волокнистого) наполнителя зависит от суммарного воздействия многихфакторов(динамическогосмачиванияирастеканиясвязующего,егохимической природы, возможного фазового разделения под действиемвнешнего давления, масштабных факторов при капиллярной фильтрации,химической природы наполнителя и др.).Влияние этого процесса на характеристики ПКМ усиливается еще и тем,чтотермореактивныесвязующие(эпоксидные,фенольныеидр.)характеризуются коллоидной структурой, на которую существенное влияниеоказывает поверхность волокон (тканей).
В результате структурообразования впроцессе пропитывания возникают граничные слои, которые радикально6 влияютнатехнологическийрежимизготовленияизделия.Структурасвязующего в препреге, а затем и в матрице, практически полностьюформируется на стадии пропитывания. Процессы течения еще болееусложняются, если используется несколько типов наполнителей.Таким образом, диссертационная работа, направленная на разработкутехнологических режимов процесса пропитывания армирующих наполнителейполимерными и олигомерными связующими, является актуальной дляпредприятийзанимающихсявопросамитехнологииизготовленияипереработки полимеров и композитов.СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯТеоретические и экспериментальные исследования процессов смачиванияи растекания различных жидкостей по поверхностям субстратов детальноразработаны в трудах Дерягина Б.В., Воюцкого С.С., Ребиндера П.А., СуммаБ.Д., Горюнова Ю.В., Чураева Н.В., Amico S., Betz A., Huang R, Li W.
и др.Однакоизучениюкинетикипропитыванияволокнистыхнаполнителей,особенно с учетом влияния внешнего давления, посвящено незначительноечисло научных работ.Реологические свойства и особенности технологии изготовления изделийиз ПКМ с использованием прямых методов формования рассмотрены в работахВасильева В.В., Берлина А.А., Петровой А.П., Люсовой Л.Р., Кербера М.Л.,Горбуновой И.Ю., Irekt A., Pionteck J., Mozetic M. и др. Очень большоевнимание уделено разработке современных высокоэффективных технологийформования изделий из ПКМ в работах сотрудников Всероссийского институтаавиационных материалов (ВИАМ).Однако в научной литературе отсутствует информация о математическихмоделях течения жидкостей в капиллярах, которые позволили бы обобщитьвесь накопленный экспериментальный материал и разработать единыерекомендации по режимам процессов пропитывания для различных типов7 связующих (как олигомерных, так и полимерных) и различных типовнаполнителей, в том числе и гибридных.ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫЦельютехнологиинастоящейработыизготовленияявляетсяизделийповышениеизэффективностиволокнистыхполимерныхкомпозиционных материалов за счет разработки рациональных режимовпроцесса пропитывания.Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующиезадачи:1) разработкаметодикикомплекснойоценкиреологическиххарактеристик системы связующе - волокнистый наполнитель;2) исследование кинетики процессов пропитывания волокон простымижидкостямииолигомернымисвязующимиврежимахсмачиванияифильтрации;3) исследование реологического поведения полимерных и олигомерныхсвязующих, наполненных дискретными волокнами и порошками;4) разработкаматематическихмоделей,описывающихпроцессысмачивания и растекания на стадии изготовления изделий из полимеров;5) разработкатехнологическихрекомендацийприизготовлениикомпозитов методом вакуумной инфузии.НАУЧНАЯ НОВИЗНА1.
Предложен новый метод определения геометрических размеров ипрочности граничных слоев в системе полимер-наполнитель на стадииизготовления изделий для режимов смачивания и фильтрации. Показано, чтоприпропитыванииобразуютсядватвердообразныхграничныхслоя,препятствующих течению неструктурированного связующего. С помощью8 разработанной методики определены значения внешних давлений, при которыхпроисходит разрушение граничных слоев. Экспериментально установлено, чтодля эпоксидного связующего, содержащего 5560 об. % углеродных волокон,разрушение сомкнувшихся граничных слоев происходит при внешнемдавлении не менее (100450)103 Н/м2.2.
Установлено, что система полимерное связующе - дискретноеуглеродное волокно может проявлять дилатантные, ньютоновские илипсевдопластическиесвойства.Количественноопределенызначениянапряжений сдвига, концентрации наполнителя, величин его удельнойповерхности, соотношения длины и диаметра волокон и установленыдиапазоны их изменений.3. Установлено,чтовполимерномсвязующемметаллическийдисперсный наполнитель стимулирует образование граничных слоев. Принедостаточном его содержании система находится в псевдопластическомсостоянии,припревышениипредельногозначенияонапереходитвдилатантное состояние. Количественно определены значения концентрацийдисперсного наполнителя, которые составили 34÷37 об.%., при которыхсистема переходит из псевдопластического состояния в дилатантное.4.
Разработаны новые теоретические модели капиллярного теченияжидкостей, обобщающие уравнения Навье–Стокса путем учета скороститечения (первое обобщение уравнения Навье–Стокса–Дарси) и четвертойпроизводной от скорости (второе градиентное обобщение), в которые введенынеклассические параметры, характеризующие толщины граничных слоев.5. Предложена математическая модель капиллярно-пористой структурынаполнителя и связующего, которая объясняет образованиетурбулентного течений. ламинарного и9 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬТеоретическая значимость:1. Разработаныновыематематическиемоделипутемобобщенияуравнений Навье–Стокса и введения в них неклассических параметровгидродинамики течения. На их основе сформулирована теорема капиллярноготеченияжидкостей,объясняющаяобразованиедвуслойногопотока,вграничном слое которого любая жидкость движется турбулентно, в осевом –ламинарно. Установлено, что для системы смачивающая жидкость–волокносуществуеттакоедавление,прикоторомтечениестановитсячистоламинарным, а для системы несмачивающая жидкость – волокно существуетдавление, при котором течение будет турбулентным.2.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
