Лсякі властивості вуглецевих волокон

Механічні властивості. Завдячуючи низькій густині та високим міцносним властивостям, вуглецеві волокна мають найбільш високі питом: характеристики.

Коротко наведемо поняття питомих характеристик міцності: питомоі міцності й питомого модулю пружності.

Питома міцність - це відношення міцності при розтяганні до питомої

ваги:

Для питомого модуля це число буде ще більшим.

^пит”

Y

Питомий модуль пружності - це відношення модулю пружності до питомої ваги:

Е Л-

^ЕПИТ '

У

rp-g,

де р - густина, кг/м ; g- прискорення сили тяжіння, м/с; а_в - опір при розтяганні, Па; Е - модуль пружності, Па.

Якщо до виразу для а_пит і аналогічно для Е_пит підставити значення вхідних іуди величин, отримаємо

ст-. _ а_в Н МІ с² _кг-м с² _

^<Т™^Т 7 P'S М^г кг м с⁷ кг

Отже, сг_пит і Е_пит в системі СІ вимірюються в метрах, але при цьому отримуються великі числа і прийнято застосовувати величину в 1000 разів більшу, тобто кілометр.

Наприклад, міцність нитки <т_в = 36 • 10⁸ Па, густина р = 1 800 кг/м³, прискорення сили тяжіння g = 10 м/с², тоді питома міцність.

3

= 2-10 ді

6-1О⁰ Д-

,8004.104 ¹⁸'¹⁰’

М С²

(Т_пит=2-1 0⁵м=200км

Для питомого модуля це число буде ще більшим.

У ракетній техніці широко користуються термінами питомої міцності й питомого модуля, вираженими в кілометрах. Для порівняння слід зазначити, що питома міцність кращих сталей та алюмінієвих сплавів становить не більше, ніж 50 км.

Щоправда, розбіжності раніше зазначених показників для вуглецевих волокон досягають 20...25 %. До цього спричиняє наявність дефектів внутрішньої та зовнішньої структури ВВ.

Лікування зовнішніх дефектів шляхом травлення, іонного бомбардування й нанесення покриття веде до підвищення міцності ВВ і зменшення розбіжностей показників.

За міцністю ВВ поділяються на три групи: низькоміцні (<т_в <500 МПа);

• помірної міцності (а_й > 500... 1 500 МПа);

• високоміцні (<т„ > 1 500 МПа).

Модуль пружності змінюється в межах від ЗО до 700 ГПа і пропорційно залежить від густини вуглецевого волокна (табл. 5.2). Високоміцні вуглецеві волокна використовуються в композиційних матеріалах для опорних конструкцій, решта - для теплозахисних та ерозійностійких матеріалів, теплоізоляції і т. ін.

Фізичні властивості. Фізичні властивості ВВ такі самі, як і компактних матеріалів, хоча густина їхня значно нижча, ніж у графіту (теоретична густина - 2 260 кг/м³), що обумовлено менш досконалою структурою ВВ і більшою пористістю.

Для ВВ є характерною розвинута пористість і велика питома поверхня, що сягає 2 000 м²/'г за певної термообробки (табл. 5.3).

Останніми роками розроблені волокнисті сорбенти, в тому числі імпрегновані різними речовинами у вигляді тканини, повсті, які отримують шляхом обробки вихідних віскозних заготівок у середовищі вуглекислого газу за підвищених температур. ВВ мають більш низьку поверхневу енергію, ніж скляні та органічні, тому гірше змочуються полімерними зв'язними, а полімерні композиційні матеріали на їхній основі характеризуються зни­женою напруженістю зрушення. Величину адгезії до ВВ підвищують шляхом видалення замаслювача після текстильної переробки, апретуванням, нанесенням мономерів, травленням поверхні окисниками.

За характеристиками тепло- і електропровідності графітовані волокна наближаються до металів, карбонізовані волокна відносяться до напівпровідників (табл. 5.4). ВВ так само як і вуглецеві матеріали, мають виключно високу тепло- і термостійкість, але низьку стійкість до окиснення.

З метою захисту від окиснення на волокна наносять карбіди, оксиди, нітриди та піровуглець (ОКГ5). Якщо в теплонапружених вузлах ракетної техніки використовують вуглецеві волокна, то це в основному волокна з покриттям із піровуглецю.

Хімічні властивості. За хімічними властивостями ВВ наближаються до об'ємних вуглецевих матеріалів. За підвищених температур (близько 620 К) вони зазнають впливу азотної та сірчаної кислот, а також KiCrjO? та води. В цьому випадку волокна, отримані із ГЦВ, хімічно більш стійкі, ніж волокна із ПАН-В, оброблені за однакових температур.

Таблиця 5.2. Механічні властивості деяких вуглецевих волокон

Марка Матеріалу	Країна	d, мкм	Р кг/м3	Е, Гпа	<7в, Мпа	%
ВМН-3 ВМН-4 Урал-15 Урал-24 Кулон	Україна	7.0 6.0	1710 1600 1800 1900	250 270 80 200 600	1430 2210 1600 2000 2000
Графіл-А Графіл-HMS Модмор-1	Англія	7,8	1760 1880 2000	192 400 450	2550 2000 2300	0,6 0,5
Тип-ВМ Торнел-100 Торнел-400	США	7,5 9,4	1940 1950 1780	380 690 206	1890 3450 2750	1,0
Ригилор-АС	Франція	12,4	1750	200	2000	1,5
Торейка-М-40	Японія	7,9	1800	400	2500	1,5

Примітка d - діаметр волокна; р- густина; Е - модуль пружності; а_в - міцність при розтяганні; е - відносне подовження

Таблиця 5.3. Фізичні властивості вуглецевих волокон

р,кг/м3	°опит. м2/г	г, %	Сер, кДж/(кГц К)	а, 10‘6 К'1	х, Вт/(м- К)	Ре.Ю'5 Омом		tag при 10Гц
Графітоване волокно (Тсубл.= 3 873 К
1,3...4,9	0Д5...3, 0	1,0	0,66	2	83...125	0,003...0, 6		0,25...0,3 3
Карбоні зоване волокно
1,3 ...1,6 5	О о і о о	0,1...1 0	0,66	4	0,8...21, 0	0.4...70		0.17...0.4 2

Примітка. Г - гігроскопічність; S_mrr - питома поверхня; tgа - тангенс кута діелектричних втрат; р - густина; Т_сув - температура сублімації; Ср - питома теплоємність; а - коефіцієнт термічного розширення; X - теплопровідність; Р_е - електричний опір.

Таблиця 5.4. Примітка, d - діаметр волокна; р - густина; Е - модуль пружності; а_в - міцність при розтяганні; е - відносне подовження

Матеріали	Волокна					Сталь
	Високоміцні			Високомодульні
	Скляні		Органічні	Вуглецев і	Борні
~~~ Марки Характеристики ——....	ВМ- 1	ВМП	СВМ	ВМН-5	БИ	ЗП-679
<т„ - міцність при розтяганні, кгс/мм	370	450. ..50 0	300...360	300	350	180
Модуль пружності, ET0'J, кгс/мм2	10	10	12	ЗО	42	20
Густина, р, г/см3	2,58	2,58	1,45	1,8	2,6	7,85
Питома міцність, апт, км	143	174...19 4	100...250	165	135	24,2
Питомий модуль пружноті, Епит., КМ	3900	3900	8300	16500	16500	2540

Переробка. Схема переробки, як вказано раніше, полягає в по­передньому виготовленні віскозних форм з наступною карбонізацією і графітизацією їх. Інколи, за необхідності, зручно отримувати вуглецеві нитки

з готових тканинних матеріалів, що зазнали термообробки, наприклад, трикотажних полотен, шляхом їхнього розпуску. Так отримують вугільну нитку для наступного плетіння вуглецево-металічних стрічок чи сіток, необхідних для створення вуглеметалопластиків.

Окрім способу отримання вуглецево-металевих тканин, стрічок, сіток, джгутів розроблено багато інших — для виробництва таких гібридних матеріалів на основі вуглецевих, органічних, скляних та металевих ниток і волокон в різноманітних сполученнях. Наприклад, волокна типу Кевлар (арамідне органічне волокно з високою міцністю, але з нижчим модулем пружності, ніж ВВ) сполучаються з вуглецевими волокнами в якому-небудь матеріалі для намотування (стрічка, джгут) або ж наносяться повністю за певною програмою.

На основі вуглецевих і комбінованих волокон, стрічок створено, наприклад, корпуси твердопаливних ракет СІЛА «Трайдент-1», «Трайдент- 2», соплові блоки РДТП, обтічники ракет-носіїв і т. ін.

Для виготовлення полімерних композиційних матеріалів і виробів з вуглецевих волокон застосовуються приблизно ті самі технологічні процеси, що і для переробки скляних і органічних волокон.

Як видно з табл. 5.5, незважаючи на те що в наведених пластиках зовсім не повністю використані характеристики міцності моноволокон, все ж питома міцність ПКМ значно вища, ніж у сталі та алюмінію. На жаль, конструктори і технологи ще не навчились так проектувати вироби з волокнистих композиційних матеріалів, шоб максимально використати

високі міцнісні властивості елементарних волокон.

Таблиця 5.5. Властивості деяких ПКМ з волокнистими наповнювачами

Матеріал	Марка, різновид	Р, кг/м3	0^, Мпа	Е ■ 10 3, МПа	^пнт, КМ
Сплав	АМГ-6 Сталь ЗП-679	2,64 7,85	340 1900	72 200	12,5 24,2
Скло­	Одиоспрямований	2,1	1900	65	90
пластик	Перехресний	2	1100	36	55
Органо­	Одиоспрямований	1,35	1550	70	115
пластик	Перехресний	1,35	880	430	65
Вугле-	Одиоспрямований	1,5	1000	180	67
пластик	Перехресний	1,5	500	9	33
Боро-	Одиоспрямований	2,0	1200	270	60
пластик	Перехресний	2,0	600	130	ЗО

Примітка, р - густина; Е - модуль пружності; (Г_в - міцність при розтяганні; Ow - питома міцність.

Вуглепластики

Вуглепластиками звуться композиційні матеріали, в яких матрицею є стверділе полімерне зв’язне, а наповнювачем - вуглецеві волокна у формі ниток, джгутів, стрічок, тканин. Вони виробляються за типом склопластиків та інших армованих полімерних матеріалів. У ракетній техніці вуглепластики застосовуються в якості теплозахисних покрить, ізоляційних матеріалів чи опорних (силових) конструкцій. Так, в РДТП вони використовуються як матеріал теплового захисту вихідного розтруба в сполученні з металом чи силовим пластиком, вихідного коміру, а іноді навіть вкладиша критичного перерізу сопла, наприклад на прискорювачах ракети-носія «Шатл».

Застосовуються вуглепластики і для інших теплонавантажених деталей твердопаливного двигуна.

Як буде показано далі, вуглепластики стали першою і найранішою стадією використання вуглецевих матеріалів у ракетній техніці після графіту, котрий має головні недоліки - крихкість і низькі твердість та ерозійну стійкість.

Оскільки при створенні теплозахисних матеріалів намагаються досягти максимальної реалізації їхніх ентальпійних характеристик, у якості зв'язних застосовують фенольні, феноло-формальдегідні та феноло-фурфуролові смоли, які дають найбільший вихід коксу чи, як висловлюються спеціалісти ракетної техніки, мають найбільше коксове число (90...95 %).

де К - коксове число; т* - густина коксу; т_п — густина пластика.

У США такі вуглепластики звуть вуглецево-фенольними. Останніми роками, у зв'язку зі зростанням жорсткості умов роботи головних частин на «пасивному» відтинку траєкторії, на ракетах 134 «Трайдент-1» і «Трайдент- 2», «МХ» застосовується матеріал TWCP, котрий являє собою фенольний вуглепластик. Така сама тенденція притаманна і вітчизняній ракетній техніці.

Вуглепластики формуються безпосередньо на вузлах, які ними захищаються, або виготовляються за потрібною формою і потім на­клеюються на зовнішню частину вузла або на внутрішню - якщо це розтруб. Коли силовою оболонкою розтрубу служить склопластик чи інший пластик, останній намотується на готовий вуглепластик.

У залежності від призначення виробів застосовують різні методи формування:

• прямого пресування в прес-формі;

• прямого пресування під вакуумованим гумовим мішком (вакуумний метод);

гідро- або автоклавне формування (іноді ці методи об'єднуються однією назвою - автоклавні).

Технологія виготовлення вуглеппастиків

1. Підготовка оснастки. У загальному випадку пуансон і матриця прес- форми чи оправка ретельно очищуються від залишків смоли, забруднення і т. ін. Потім на них наноситься спеціальне мастило ЦИАТИМ-221 чи інше теплостійке мастило двома шарами: перший шар сушиться за температури цеху на повітрі протягом однієї години, другий - за температури 100 °С протягом двох годин.

Якщо вуглепластик наноситься як ТЗП на яку-небудь деталь, остання підлягає піскоструминному очищенню за допомогою кварцового піску. Ця операція виконується на спеціально обладнаній дільниці, котра, як правило, обслуговує всі цехи машинобудівного заводу. Після такого очищення деталь знежирюється бензином і сушиться протягом 10...15 хвилин.

2. Просочування матеріалу смолою. Виконується на спеціальних просочувальних машинах безперервної дії або вручну. Перед просочуванням тканини або стрічки просушують за температури 120... 150 °С до досягнення вмісту вологи в них 1,5 % (ГОСТ 09-3-78). Просушені матеріали зберігаються в поліетиленових чи поліхлорвінілових пакетах, або без пакування - в печі за температури 40...60 °С.

В'язкість зв'язного при просочуванні за стандартним віскозиметром ВЗ-

4. становить 40...60 с. Вимірювання її за допомогою названого приладу ВЗ-4 у відповідності до ГОСТ 9070 - 75 полягає в наступному: до чашечки віскозиметру (рис. 5.10) наливається рідина до необхідного рівня, при цьому отвір закривають пальцем. Потім відкривають отвір, одночасно вмикають секундомір і зупиняють його після того як припиниться витікання рідини суцільним струменем. Чим більший час витікання, тим вища в'язкість рідини.

В'язкість смоли зменшують шляхом додавання розчинника (спирт, ацетон), якщо вона вища за норму, і навпаки - додають смолу, коли в'язкість низька. Машини для механізованого просочування являють собою вертикальні теплоізольовані шахти, в котрих відбувається підсушка тканини або стрічки (рис. 5.11).

Шахта розбита за висотою неначе на три температурні зони:

І - температура 20...40 °С - знаходиться внизу; II - температура 40...60 °С - знаходиться в центральній частині шахти; III - максимальна температура 80° С - знаходиться у верхній частині шахти.

Рис. 5.10. Віскозиметр ВЗ - 4: 1 - чашечка; 2 - рідина

Рис. 5.11. Схема просочувальної машини: 1 - металева шахта з теплоізоляцією; 2 - напрямні ролики; 3 - електронагрівачі (ТЕН); 4 - ванна зі смолою; 5 - первинна бобіна чи барабан; 6 - бобіна чи барабан для намотування просоченої тканини чи стрічки

Слід зазначити, що під час просочування треба суворо витримувати визначену швидкість руху тканини чи стрічки, а також температуру у зонах. Просочені матеріали неприпустимо перегріти, адже у такому випадку відбувається часткове чи цілковите ствердження смоли. Звичайно просочені матеріали при зберіганні не повинні пошарово злипатися.

Просочені та просушені матеріали зберігаються в рулонах, бобінах чи котушках в поліетиленових мішках - у прохолодному місці взимку і в спеціальних холодильних камерах улітку.

Метод прямого пресування

Розглянемо метод прямого пресування. Зв'язним при виготовленні вуглепластиків є феноло-формальдегідні чи феноло-фурфурольні (фуранові) смоли. Феноло-формальдегідна смола має старе маркування ФН, нове - ЛБС-4.

Тут можна застосувати два різновиди формування.

1. Формування в прес-формі під пресом (рис. 5.12).

Стисло технологія полягає в тому, що розкроєні заготовки вуглецевої тканини, просоченої в смолі ЛБС-4 певною величиною нанесення, укладають до прес-форми. Заготівки можуть бути заздалегідь просочені смолою й укладаються в напівсухому вигляді (до відлипання) або просочуються безпосередньо перед укладкою. В процесі укладки робиться попередня підпресовка заготівок у прес-формі за допомогою пуансона . Потім подасться питомий тиск від 47 до 15 МПа, за величиною загальної площі навантаження розраховується зусилля пресу. Відбувається нагрівання прес-форми електричними нагрівачами опору, вмонтованими в тіло прес-форми, чи індукторами. Частота індуктора тим менша, чим більші розміри прес-форми, що видно з емпіричної формули

25-10²р

де Рс - питомий електричний опір, Омм; d - діаметр прес-форми, см. На практиці для нагрівання крупних прес-форм використовують струм промислової частоти, тобто 50 Гц.

Спочатку температуру матеріалу доводять до 80 °С (353 К), при чому витримують її приблизно протягом однієї - двох годин, під час цього відбувається виділення води та інших летких компонентів смоли. В той же час матеріал дає сильну усадку, тому тиск преса коригується і підтримується постійним до того, як буде досягнута максимальна температура, за якої відбувається поліконденсація (отвердіння) зв'язного.

Утвердження відбувається за температури (155 ± 5) °С у розрахунку одна година на 8 мм товщини матеріалу, але не менше ніж дві години. При цьому підтримується необхідний тиск (14.,.15 МПа). Після ствердження проводиться плавне охолодження прес-форми, спочатку за рахунок зменшення електричного навантаження, коли ж температура знизиться до 80 °С (353 К), електроживлення вимикається; далі відбувається охолодження природним шляхом. Потім здійснюється розбирання холодної прес-форми, виймання виробу, підрізання до потрібних розмірів, неруйнівний контроль якості матеріалу; визначається вміст смоли, ступінь її отвердіння, механічні та теплофізичні характеристики, густина, зрештою виконують інші види контролю.

Рис. 5.12. Пряме пресування під пресом: 1 - рухомий пуансон преса;

2. - змінний пуансон прес-форми; 3 - матриця прес-форми; 4 - матриця, що пресується; 5 - нагрівач індукційний або омічного опору (ТЕН); 6 - основа

преса

Рис. 5.13. Безпресове формування: 1 - пуансон прес-форми; 2 - ма­теріал, що пресується; 3 - стяжні болти; 4 - матриця прес-форми

2. У деяких випадках можна виконувати запресування матеріалу в прес-форму без застосування преса, шляхом затягування болтів (рис. 5.13). Кількість болтів і їх розміри розраховуються, виходячи із забезпечення необхідних показників тиску й міцності.

Укладання матеріалу здійснюється так само, як і в першому випадку, - під пресом. Підпресування можна здійснювати пуансоном за допомогою затягування болтів.

Отвердіння матеріалу відбувається в електричних печах опору чи в аеродинамічних. Зручність методу полягає в тому, що можливо вести отвердіння в одній печі в кількох прес-формах відразу.

Оскільки аеродинамічні печі з'явилися нещодавно, про них мало йдеться в літературі, то ж на принципіальній їхній побудові слід зупинитися.

В основі їхньої роботи - закон зростання коефіцієнта внутрішнього тертя в газі разом з підвищенням температури, тобто закон Ньютона

^ = ія/ий\

де їх - коефіцієнт внутрішнього тертя, кг/мс чи Н-с/м²; m - маса мо­лекули, кг; n - кількість молекул у одиниці об'єму (число Лошмідта), 1/м³ ; й - середня швидкість хаотичного руху молекул, м/с; X - довжина вільного пробігу молекул, м.

Швидкість молекули в залежності від температури змінюється за законом

- Ш . . _ и¹ т

U- J , ЗВІДКІЛЬ Т = ——,

V т м

де к - постійна Больцмана, кДж/К; Т - абсолютна температура газу, К. Під час руху тіла в газі між шарами останнього утворюється дотичне напруження

u V

де — градієнт швидкості спрямованого чи вимушеного руху мо-

dz

лекул, 1/с.

Відомо, що під час тертя виділяється тепло, те ж саме відбуватиметься в атмосфері печі. Таким чином, якщо обертати вентилятор у замкнутому об'ємі, то газ, що знаходиться там, буде нагріватися. Схема аеродинамічної печі показана на рисунку 5.14.

Історія появи цих печей анекдотична: пірометристка вимкнула електронагрівачі опору, та забула вимкнути вентилятор, котрий перемішував повітря в печі. За ніч піч нагрілася так, що згорів і вузол, який стверджувався, і вентилятор.

Як бачимо, в аеродинамічних печах гвинт вентилятора одночасно нагріває й перемішує повітря. Коефіцієнт корисної дії аеродинамічних печей приблизно в чотири рази вищий, ніж печей опору. В принципі її неважко зробити на будь-якому підприємстві. Максимально допустима температура в таких печах - близько 600 °С (873 К). Досвід експлуатації аеродинамічних печей слід широко розповсюджувати, особливо з огляду на брак енергоносіїв.

Рис. 5.14. Аеродинамічна піч: 1 - замкнутий об'єм з теплоізоляцією;

2 - гвинт вентилятора; 3 - електродвигун