Введение 4
1. Анализ материалов применяемых для изготовления спортинвентаря 9
1.1. Патентный поиск 9
1.2. Обзор волокон применяемых для изготовления спортинвентаря 18
1.2.1. Стекловолокна 20
1.2.2. Углеродные волокна 21
1.2.3. Борные волокна 24
1.2.4 Органические волокна 25
1.3. Современные технологии получения и переработки полимерных и
композиционных материалов 27
1.3.1. Изготовление препрега и премикса 27
1.3.2. Метод контактного формования 29
1.3.3. Формование с использованием эластичной диафрагмы 31
1.3.4. Формование реактопластов на матрице 32
1.3.5. Метод намотка 33
1.3.6. Непрерывные процессы производства 34
1.4. Анализ существующего производства изготовления хоккейной
клюшки 36
2. Материалы и метод исследования 40
2.1. Исследуемые материалы 40
2.2. Приборы и установки для испытаний 47
2.3. Статистическая обработка данных 52
3. Исследование технологических свойств углеродных волокон,
применяемых для производства углепластиковых спортивных изделий 55
3.1. Метод исследования капиллярности волокон 55
3.3. Исследование структуры волокон 62
Заключение
Литература
В настоящее время такие материалы как металл, заменяются материалами, которые обладают лучшими физическими свойствами. В спорт инвентаре как и в машиностроении большую роль играет вес. Ведь если спортсмену будет тяжело поднимать инвентарь, то и его показатели будут хуже. Поэтому композитный материал все чаще встречается в спорт инвентаре т.к. композит имеет малый вес и хорошие физические свойства.
Углепластик (углеродопластик, карбон) - это композитный материал на основе углеродного волокна и эпоксидной смолы. Углепластик имеет широкую сферу применения. Углеродные материалы можно встретить в разнообразных отраслях промышленности: автомобилестроение,строительстве, авиа- и ракетостроении, атомной промышленности и т.д.
Карбон одновременно очень легкий и чрезвычайно прочный материал, из него можно изготавливать детали любого размера и конфигурации. Углепластик обладает прекрасными аэродинамическими показателями, он способен выдерживать любые критические температуры. Нити углерода устойчивы к растяжению. Однако при сжатии или точечных ударах они могут поломаться, поэтому их переплетают под определенным углом и добавляют резиновые нити.
В строительстве углеродопластики используют в системах внешнего армирования при возведении или ремонте мостов, промышленных или складских зданий. Это позволяет проводить реконструкцию со значительно меньшими трудозатратами в сравнении с традиционными способами и в более сжатые сроки. При этом срок службы несущей конструкции увеличивается в несколько раз.
В авиации из углепластиков создают цельные композитные детали. Алюминиевые сплавы проигрывают в сравнении с углепластиковыми по массе. Композитные детали имеют в 5 раз меньший вес и гораздо большую прочность и гибкость, а также устойчивость к давлению и коррозионную стойкость.
Высокие нагрузки космических полетов предъявляют соответствующие требования к материалам, используемым при производстве деталей ракетостроения. Углеродные материалы могут работать в условиях высоких и низких температур, при огромных вибрационных нагрузках, в вакууме и в условиях радиационного воздействия.
Атомная промышленность использует углепластики при создании энергетических реакторов, стойким к высоким температурам, радиации и большому давлению. Кроме этого, в этой отрасли особое внимание придается общей прочности внешних конструкций, и система внешнего армирования тоже имеет обширное применение.
В автомобилестроении из композитных материалов производят отдельные детали и узлы, а также целые корпуса автомобилей. Сочетание прочности и легкости позволяет создавать безопасные и экологичные автомобили. Из углепластика делают обвесы, капоты, спойлеры.
В судостроении высокая прочность, коррозионная стойкость, высокая ударостойкость и низкая теплопроводность делают углепластики лучшим материалом для изготовления конструкций корпусов подводных лодок.
Одна из самых значимых областей применения углеродопластиков - ветроэнергетика. Высокая прочность материалов позволяет создавать удлиненные лопасти, обладающие большей энергопроизводительностью.
Применение углепластиков в железнодорожной отрасли позволяет облегчить конструкцию вагонов, снизив этим общий вес составов, что позволяет увеличивать их длину и улучшать скоростные характеристики. Кроме того, углепластики могут использоваться при строительстве железнодорожного полотна.
Из углепластиков создаются многие товары народного потребления - детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, мебель, детали интерьера, музыкальные инструменты и многое другое.
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна. Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон характеризуется высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой по сравнению со сталью, массой. Его плотность - от 1450 кг/м3 до 2000 кг/м3.
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкой многоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). При этом прочность и эластичность получаются выше по сравнению со стеклопластиком.
Достоинствами углепластика являются:
- легче стали на 40 %, легче алюминия на 20 % (1,7 г/см - 2,8 г/см -7,8 г/см3);
- карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки;
- высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 0С;
- обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью, коррозионной стойкостью, имеет высокий предел прочности на разрыв и предел упругости, эстетичность и декоративность.
Углепластики имеют недостатки:
- чувствительность к точечным ударам;
- сложность реставрации при сколах и царапинах;
- выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, требующего применения защитных покрытий;
- длительный процесс изготовления,
- возможна локальная коррозия в местах контакта с металлом;
- сложность утилизации и повторного использования.
Углепластик прочен и легок, но технология производства деталей более дорогая по сравнению с аналогами. Сложность ремонта деталей из углепластика заключается в его хрупкости. Существует также проблема переработки и утилизации углепластика.
В настоящее время изделия из углепастика находят широкое применение при производстве деталей для суперкаров и гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки, лыжные палки, сноуборды, лыжи и т.д.) [1].
Целью дипломной работы является исследование технологических свойств углеродных волокон применяемых для производства углепластиковых спортивных изделий.
Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие задачи:
- провести анализ волокон, применяемых в производстве спортинвентаря;
- описать современные методы исследований свойств волокон;
- провести исследования вязкости, адгезии, смачиваемости, термические исследования ДСК и ТГ А.
Основные результаты исследований, представленные в дипломной работе, докладывались и обсуждались на международной конференции VIII Международной научно-технической конференции «ИННОВАЦИОННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ И
МАТЕРИАЛЫ - 2017» (г. Казань, 2017) и итоговой научно-образовательной конференции студентов Набережночелнинского института КФУ 2018 года (г. Набережные Челны, 2018).
Для получения серийных изделий небольших габаритных размеров удовлетворительной прочности эффективно применение эпоксидных и полиэфирных смол со стекло- и углеволокнами.
Для изготовления композиционных материалов используют различные методы формования: метод контактного формования, формования с использованием эластичной диафрагмы, формование реактопластов на матрице, методы намотки, пултрузия. Наиболее рационными технологиями изготовления являются автоклавное формование и пултрузия.
Выбор метода формования зависит: от серийности продукции; геометрических требований, предъявляемых к изделиям; условий эксплуатации и утилизации; стоимости изготовления и других важных технико-экономических показателей.
Патентный поиск показал, что на данный момент очень много разных способов изготовления клюшки (изготовление по отдельным частям клюшки и слитной конструкции сразу), а так же получение связующего (полицонденсацией этилхлоргидрина с различными органическими соеденениями) и волокна (термической обработкой химических или природных волокон).
На основе таблице 13, выявлено что смачиваемость волокна марки Т- 700 выше чем у марки UMT49-12K-EP. Волокна марки Т-700 обладают хорошей капиллярностью, равномерно пропитались смолами. Высота подъема смолы на всех образцах одинакова. Пропитка волокон UMT49-12K- ЕР связующим была хуже чем у марки Т-700, некоторые пропитались частично, высота для всех волокон подъема была различна.
Для изготовления хоккейных клюшек рекомендуется использовать экспериментальный сополимер эпоксидного связующего (компонент А 66,4 масс. ч. + компонент Б 8,8 масс.ч.)
Выявлено, что экспериментальный сополимер эпоксидного связующего (компонент А 66,4 масс. ч. + компонент Б 8,8 масс.ч.) выше, чем эпоксидной смолы ЭД-20, отвержденной ПЭПА. Для изготовления хоккейных клюшек рекомендуется использовать экспериментальный сополимер эпоксидного связующего (компонент А 66,4 масс. ч. + компонент Б 8,8 масс.ч.).
По внешнему виду волокон можно судить о различном качестве реализации технологического процесса изготовления волокон. Углеволокно марки Т-700 в процессе производства проходит все необходимые стадии с минимальными отклонениями от нормативным значений. Углеволокно марки UMT49-12K-EP в процессе производства имеет большие отклонения от нормативных значений.
Для изготовления хоккейных клюшек рекомендуется использовать углеволокно марки Т-700.
Термические исследования углеродных волокон различных производителей показали, что углеволокно производства марки UMT49-12K- EP характеризуется высоким содержанием кислородсодержащих поверхностных комплексов по сравнению с углеволокном Т-700 производства Toray. В препреге на основе углеволокна Т-700 содержание эпоксидного связующего выше на 4-5 % масс. и составляет примерно 35 % масс. по сравнению с препрегом на основе углеволокна производства марки UMT49-12K-EP, что свидетельствует о различиях в смачивающей способности исследуемых углеродных волокон.
Проведены микроструктурные исследования поперечных срезов изделия углепластика в прилегающей области разрушения и качественная оценка основных типов дефектов.
Обнаружены дефекты в образцах исследуемого материала: поры, представляющие собой продолговатые дефекты, имеющие в направлении вдоль слоев волокон значительно большую протяженность; длинные узкие пустоты-расслоения на границе раздела фаз «углеволокно-матрица».
Методом дифференциальной сканирующей калориметрии показана недостаточная степень отверждения эпоксидной смолы. Так, образец характеризуется доотверждением связующего в диапазоне температур 55- 96°С с тепловым эффектом 5,3 Дж/г и максимумом при температуре 90,5 °С.
Волокно марки Т-700 более технологичное по сравнению с волокном марки UMT49-12K-EP. Применение волокна марки Т-700 позволит в процессе изготовления изделий из углепластика провести оптимальную настройку параметров технологического процесса изготовления углепластиков и обеспечить высокое качество производимого продукта.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
