Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с целью и содержанием лабораторной работы, изучить типы и виды армирующих материалов, их маркировку и свойства.

2. Изучить перечень мероприятий входного контроля и методику определения основных показателей и проверяемых параметров армирующих материалов.

3. Определить линейную плотность нитей, ровингов и ленты и поверхностную плотность тканей (по указанию преподавателя).

     4. Определить диаметр нити с помощью микроскопа и разрывную нагрузку для нее с использованием разрывной машины или специальной системы нагружения. Результаты занести в табл. 2.14.

     5. Определить тип плетения ткани и количество нитей в направлении основы и утка на выбранной площадке ткани размерами 10х10 мм.

6. Изучить и записать в таблицу тип, марку и основные свойства 3-4 видов тканей и 1-2 видов ленты (по указанию преподавателя). Результаты занести в табл. 2.15, 2.16.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение КМ, характеристику компонентов и назовите условия их совместимости.

2. Как и по каким признакам классифицируют композиционные материалы?

3. Какие свойства КМ зависят в основном от свойств армирующих волокон, какие требования предъявляются к армирующим волокнам?

4. Производство, свойства, маркировка и применение различных видов волокон.

5. Дайте классификацию армирующих материалов.

6. Маркировка, свойства и применение в КМ различных видов тканей.

7. Содержание входного контроля и методика определения показателей и характеристик армирующих материалов.

8. Как определяются влажность и влагосодержание армирующих материалов?

9. Как определяется и в каких единицах выражается линейная плотность нитей, ровингов, ленты и поверхностная плотность тканей?

10.  Как подготавливают образцы ткани для определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве?

11.  Как определяются диаметр и разрывная нагрузка нитей, толщина ленты или ткани?

12.  Какие виды плетения тканей вы знаете? Как определяется плотность тканей вдоль основы и вдоль утка?

13.  Как определяется невоспламеняемость армирующих материалов?

Протокол экспериментов

Таблица 2.14

Результаты контроля и испытания нитей (ровингов)

 

№ п/п	Вид армирующего материала (нитей)	Диаметр, мм	Длина нити, м	Вес нити, г	Линейная плотность,  текс (г/1000)	Разрывная нагрузка, Н	Относительное удлинение, e%
1
2
3
4
5

 

 

Таблица 2.15

Результаты контроля ленты

 

№ п/п	Материал ленты	Толщина и ширина ленты, мм	Длина ленты, м	Вес ленты, кг	Линейная плотность, кг/100 м	Невоспла- меняемость
1
2

 

 

Таблица 2.16

Результаты контроля тканей

 

№ № п/п	Тип и марка ткани	Толщина, мм	Поверхностная плотность, кг/м2	Предел прочности sв, кгс/мм2	Относи-тельное удлинение e, %	Количество нитей в 10 мм		Нево-спламеняе- мость
						Основа	Уток
1
2
3
4

 

Лабораторная работа № 3

Технология производства деталей, узлов и агрегатов из КМ,

Приготовление полимерных матричных материалов

 для ПКМ и определение их технологических параметров

Цель работы

 

1. Ознакомиться с особенностями проектирования и производства деталей из КМ, изучить основные этапы технологии производства деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ).

2. Изучить состав и основные свойства наиболее часто применяемых в ПКМ матричных материалов.

3. Ознакомиться с методикой определения количества связующего и выполнить расчет необходимого количества связующего для пропитки заданного количества армирующего материала определенного типа.

4. Ознакомиться с технологией приготовления матричных материалов (связующих) и методикой определения их основных технологических параметров.

5. Определить концентрацию связующего и необходимое количество растворителя для получения определенного количества матричного материала требуемой концентрации (50%-ного раствора).

6. Определить вязкость и поверхностное натяжение связующего, ознакомиться с методикой определения смачиваемости жидкостями поверхности твердого тела (матрица - армирующий материал).

 

Содержание работы

   

Технология производства деталей, узлов и агрегатов из ПКМ

включает в себя следующие основные операции (этапы):

1. Подготовка арматуры и ее входной контроль.

2. Приготовление связующего или матричного материала и контроль его технологических параметров.

3. Пропитка (совмещение исходных компонентов КМ).

4. Формообразование деталей, узлов и агрегатов.

5. Отверждение матричного материала.

6. Извлечение готовых деталей из формы, удаление оправки, снятие с оправки.

7. Контроль качества изделий

8. Механическая доработка и сборка.

Рассмотрим содержание перечисленных этапов технологии производства деталей.

1. Подготовка арматуры.

а) Входной  контроль    армирующих  материалов   (включает  в  себя

проверку на соответствие техническим требованиям по механическим свойствам, размерам, номеру нити, плотности ткани или ленты, содержанию влаги, летучих веществ и т.д.).

б) Стеклянные и некоторые другие волокна часто поступают покрытые замасливателем. Операция удаления замасливателя с поверхности волокон называется расшлихтовкой. Для расшлихтовки арматуру пропускают через бензин, водный раствор олеиновой кислоты (2%) и триэтаноламина (1%) или другие растворители. Удалить замасливатель можно и прокаливанием арматуры при 200…450ºС. Можно смывать замасливатель в воде с применением ультразвука. Для ускорения расшлихтовки эти методы иногда комбинируют (сочетают).

После расшлихтовки некоторые виды волокон усиленно адсорбируют влагу, что ухудшает адгезию к ним матричного материала и снижает эксплуатационные характеристики ПКМ в целом. Для предотвращения этого явления проводится аппретирование.

в) Аппретирование  – нанесение на поверхность армирующего материала гидрофобных (водоотталкивающих) покрытий, которые повышают адгезию (прочность связей со связующим) и снижают водопоглощение ПКМ. Для стеклянных волокон в качестве аппретов применяют аминосилан (меламино-формальдегидная, кремнийорганическая смолы), эмульсию этилгидросилоксановой жидкости, воланы (некоторые органические соединения хрома и кремнийорганических соединений). Покрытия кроме повышения адгезии защищают волокна от атмосферных и механических воздействий. Закрепляют аппреты нагревом волокон до 80…150°С в течение 20-60 мин.

г) Снование – это операция перемотки одной или нескольких нитей, жгутов, лент или тканей на одну паковку с плотной параллельной укладкой. Операцию эту проводят в том случае, когда волокна поступают на бобинах и непригодны в таком виде для намотки или пропитки.

При сновании часто получают ровницу – однонаправленную полосу, где нити плотно прилегают друг к другу по всей длине. Снование часто совмещают с пропиткой.

2. Приготовление связующего.

Перед употреблением компоненты связующего должны пройти контроль.

 Определяют их концентрацию, вязкость, поверхностное натяжение, угол смачивания и другие характеристики.

Приготовление связующего заключается в расчете необходимого количества компонентов для приготовления заданного веса связующего. В состав связующего входят, как правило, одна или несколько смол (полимеров), отвердители, катализаторы, иногда пластификаторы и пигменты.

Смесь всех компонентов, входящих в состав связующего, называется компаундом. Обычно применяют 50%-ные растворы связующего в растворителях. Поэтому приготовление связующего предусматривает растворение всех составляющих компаунда в растворителе. (Обычно сначала в растворителе растворяют смолу, а затем уже в этот раствор добавляют и растворяют

 все остальные компоненты).

Важной характеристикой связующего является его вязкость. Она обязательно контролируется вискозиметром ВЗ-4 (в секундах), маятниковым вискозиметром, методом падающего шарика или косвенно по плотности связующего, которую определяют ареометром.

3. Пропитка (совмещение компонентов КМ).

Пропитка – операция совмещения арматуры с матричным материалом путем нанесения компаунда на поверхность арматуры и заполнения им объема между волокнами.

В настоящее время изделия из ПКМ получают двумя способами: «мокрым» и «сухим». При «мокром» способе волокна пропитываются жидким связующим непосредственно перед намоткой, выкладкой или прессованием, т.е. пропитка технологически совмещена с формованием изделия.

Способы пропитки, применяемые при «мокром» способе:

а) протягивание арматуры через жидкое связующее;

б) пропитка купающимся роликом;

в) принудительная пропитка (связующее насосом прокачивается через арматуру);

г) протягивание армирующего материала через ванну со связующим с применением отжимных роликов для регулирования содержания связующего и удаления пузырьков воздуха.

Недостатки «мокрого» способа:

1) смола должна быть жидкой;

2) применение растворителей приводит к пористости деталей;

3) плохие санитарные условия на участке пропитки;

4) низкая производительность – мала скорость пропитки нитей;

5) прогрев смолы уменьшает её жизнеспособность;

6) трудно отрегулировать концентрацию компонентов в изделии;

7) трудно выполнять намотку на наклонные и сферические поверхности.

При «сухом» способе пропитка выделена в самостоятельную операцию, в результате которой из арматуры и связующего получают препреги. Препреги – это нити, жгуты, ленты и ткани, которые после пропитки подсушены и частично отверждены. Для предотвращения слипания между слоями прокладывают фторопластовую или лавсановую пленку. Пропитка, просушка и частичное отверждение матричного материала выполняются на специализированных заводах, что позволяет расширить диапазон применяемых связующих. В частично отвержденном состоянии препреги могут находиться от нескольких дней до нескольких месяцев, в зависимости от температуры окружающей среды. Сухая намотка – более прогрессивный способ, нежели мокрая. Она позволяет получать детали сложной формы, особенно при намотке, так как липкая лента или ровинги не соскальзывают с наклонных поверхностей. При намотке можно применять большие усилия натяжения материалов препрегов и таким образом получать более плотные изделия с меньшим количеством пор. Усадка частично отвержденных матричных материалов в изделиях из КМ меньше, чем при «мокром» методе.

Основной недостаток «сухого» метода – повышенная стоимость (в 2-3 раза) полуфабрикатов в виде препрегов.

4.Формообразование деталей (прессование, намотка, выкладка, пултрузия и др.). Цель данной операции – получение изделия заданной формы и размеров. Формование можно осуществлять на прессах с использованием матриц и пуансонов, контактным, вакуумным и другими методами.

Прессованием обычно получают листовые материалы, листовые материалы с элементами жесткости (ребрами и др.), лопасти вентиляторов и самолетных винтов, лопатки компрессоров и др.

Выкладка представляет собой процесс нанесениея на шаблоны разделительного слоя и последующего нанесения слоев армирующего материала, пропитанного связующим (чаще всего тканей, ленты или ровницы) с последовательной укаткой роликом каждого слоя.

Вакуумное формование заключается в том, что пакет из пропитанной связующим ткани или ленты помещается под слой резины, прижатой по периметру к форме. Из-под резины откачивается воздух, атмосферное давление обеспечивает очень равномерное усилие формования.

Одним из самых распространенных методов производства осесимметричных деталей из ПКМ является метод намотки (трубы, осесимметричные детали переменного сечения, баллоны высокого давления и др.). Применяют различные схемы намотки: токарную, окружную, по обмоточной схеме, спиральную и продольную.

5. Отверждение матричного материала. В процессе отверждения создается конечная форма, структура и свойства деталей, узлов и агрегатов из ПКМ. Основными технологическими параметрами процесса отверждения являются температура, давление, время и степень отверждения. Отверждение проводят при комнатной температуре (холодное отверждение) или при повышенных температурах (горячее отверждение). Горячее отверждение ответственных узлов и агрегатов проводят в специальных термокамерах, обеспечивающих очень точное регулирование температуры и равномерное поле температур во всем объеме камеры. После завершения процесса отверждения детали охлаждаются (если проводилось горячее отверждение) плавно с малой скоростью охлаждения, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений в готовых деталях.

Внутренние напряжения в деталях, узлах и агрегатах из ПКМ можно разделить в основном на три вида: структурные, усадочные и термические.

Структурные напряжения вызываются технологическим натяжением арматуры в процессе намотки. До снятия с оправки структурные напряжения действуют только в армирующем материале, а в матричном материале их нет. Но после того как намотанное и отвержденное изделие снято с оправки, армирующий материал, находившийся в растянутом состоянии, частично разгружается, сжимая связующее.

Перераспределение структурных напряжений протекает во времени, что связано с ползучестью связующего и релаксацией напряжений. Этот процесс может длиться довольно долго, что может приводить к изменению размеров и геометрии деталей или  короблению. Для предотвращения этого явления детали, узлы и агрегаты подвергают чаще всего термообработке по определенной технологии.

Усадочные напряжения возникают в матричном и армирующем материалах вследствие усадки связующего при его отверждении. Величина усадки может быть от 2 до 15%. Так как между компонентами ПКМ существует адгезионная связь, то в связующем возникают растягивающие, а в армирующем материале – сжимающие напряжения, которые часто компенсируют структурные напряжения.

Термические напряжения возникают в деталях из ПКМ из-за различия коэффициентов линейного термического расширения при их нагреве или охлаждении, а также при охлаждении в процессах горячего отверждения связующего.

В реальных ПКМ все рассмотренные напряжения суммируются и со временем релаксируют. Чтобы способствовать более полной релаксации напряжений и предотвратить коробление, растрескивание и появление других дефектов, нагрев и охлаждение изделий, узлов и агрегатов из ПКМ рекомендуется проводить плавно и с малой скоростью.

6. Извлечение деталей, узлов и агрегатов из формы или удаление из них оправки.

Качество и точность деталей из ПКМ существенно зависят от применяемой оснастки, в частности от вида и качества оправки. Оправки могут быть цельными или разборными, разрушаемыми и др. К оправкам предъявляются следующие требования:

- высокая прочность и жесткость;

- высокая чистота поверхностей и точность размеров;

- стойкость к воздействию повышенных температур, необходимых для отверждения связующего;

- возможность извлечения оправки после отверждения связующего.

7. Контроль качества изделий.

1. Текущий (технологический) контроль:

a) входной контроль армирующих материалов;

     б) входной контроль составляющих матричных материалов и процесса приготовления матрицы (как правило, 50%-ного раствора);

     в) контроль правильности проведения всех технологических операций.

2. Окончательный контроль готовых деталей:

- контроль содержания связующего и арматуры;

- ультразвуковой контроль сплошности, отсутствия расслоений;

- рентгеновский контроль;

- контроль механических свойств деталей (выборочно);

- контроль окончательных свойств деталей и узлов (баллоны нагружают давлением жидкости до разрушения и т.д.).

Классификация дефектов готовых деталей и узлов:

1. Отклонение содержания связующего.

2. Нарушение сплошности (расслоение, пористость, газовые раковины и др.).

3. Отклонения в структуре армирования.

4. Пережеги (не соблюдался режим горячего отверждения).

5. Коробление.

6. Складки на поверхности и в толще материала.

Причины коробления:

1. Из-за несимметричности укладки слоев.

2. Из-за геометрии формуемого изделия.

3. Из-за деформирования оснастки.

4. Из-за неравномерного нагрева и охлаждения.

Особенности механической обработки деталей из ПКМ определяются следующими факторами:

- анизотропией свойств КМ;

- сложностью получения поверхностей высокой чистоты и точности;

- высокой твердостью и абразивной стойкостью армирующих материалов;

- низкой теплопроводностью КМ (нагреваются резцы);

- гигроскопичностью материала в зоне резания (нельзя применять смазочно-охлаждающие жидкости при резании);

- высокими упругими свойствами КМ, обуславливающими наличие слоя сжатия обрабатываемого материала, находящегося ниже линии среза. Это требует применения жесткой оснастки при механической доработке деталей.

Требования к станочному оборудованию и режущему инструменту:

1. Мощность может быть существенно (~ в 5 раз) уменьшена,

число оборотов шпинделя (скорость резания) увеличено ≈в 10 раз;

подача уменьшена ~ в 5 раз.

2. Так как усилие резания КМ гораздо меньше, чем у металлов, целесообразно применять механизированные устройства и приспособления с пневмо- и электроприводом.

3. Применять надо очень твердый режущий инструмент с высокой удельной ударной вязкостью (быстрорежущие стали, сплавы на керамической основе с большим содержанием связки - кобальта).