Разработка технологии повышения адгезионных свойств углеродных волокон
|
Введение 3
1 Анализ предметной области 5
1.1 Применение волокнистых компонентов в промышленности 5
1.1.1 Классификация композиционных материалов Б
1.1.2 Свойства и виды волокнистых композиционных материалов 13
1.1.3 Связующие для производства ПКМ 15
1.1.4 Характеристики волокон 18
1.2 Углеволокнистые композиционные материалы применяемые в
промышленности 25
1.2.1 Марки волокон 29
1.2.2 Связующие совместимые с углеродным волокном 34
1.2.3 Технология производства углеродного волокна 38
1.2.4 Методы производства изделий из углеродных волокон 43
1.3 Патентный поиск 52
2 Материалы н методы исследования 57
2.1 Исследуемые материалы 57
2.2 Методы исследования 51
2.2.1 Определение капиллярности 61
2.2.2 Определение адгезии 55
2.2.3 Микроскопический анализ 67
2.2.4 Термические свойства углеродных волокон 69
2.3 Статистическая обработка данных 72
3 Разработка технологии повышения адгезионных свойств углеродных
волокон 76
3.1 Технология обработки углеродных волокон лазером 76
3.2 Исследование капиллярности 77
3.3 Определение адгезионной прочности 82
3.4 Исследование микроструктуры УВ 85
3.5 Определение термических свойств углеволокон 86
Заключение ^
Список литературы
1 Анализ предметной области 5
1.1 Применение волокнистых компонентов в промышленности 5
1.1.1 Классификация композиционных материалов Б
1.1.2 Свойства и виды волокнистых композиционных материалов 13
1.1.3 Связующие для производства ПКМ 15
1.1.4 Характеристики волокон 18
1.2 Углеволокнистые композиционные материалы применяемые в
промышленности 25
1.2.1 Марки волокон 29
1.2.2 Связующие совместимые с углеродным волокном 34
1.2.3 Технология производства углеродного волокна 38
1.2.4 Методы производства изделий из углеродных волокон 43
1.3 Патентный поиск 52
2 Материалы н методы исследования 57
2.1 Исследуемые материалы 57
2.2 Методы исследования 51
2.2.1 Определение капиллярности 61
2.2.2 Определение адгезии 55
2.2.3 Микроскопический анализ 67
2.2.4 Термические свойства углеродных волокон 69
2.3 Статистическая обработка данных 72
3 Разработка технологии повышения адгезионных свойств углеродных
волокон 76
3.1 Технология обработки углеродных волокон лазером 76
3.2 Исследование капиллярности 77
3.3 Определение адгезионной прочности 82
3.4 Исследование микроструктуры УВ 85
3.5 Определение термических свойств углеволокон 86
Заключение ^
Список литературы
Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности. Практика показала, что путем подбора состава и свойств компонентов композиционных материалов (матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя) можно обеспечить получение практически любых изделий с заранее заданным сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. '
Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Известно, что среди непрерывных армирующих наполнителей наибольшее распространение получили волокнистые материалы. Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (Si02, А1203, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов.
Актуальность: В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более прочный материалы, а значит — и более дешёвые. Для повышения их реакционной способности, а, следовательно, и увеличения адгезии, волокна обрабатывают неравновесной низкотемпературной плазмой. Поэтому, для исследований были выбраны углеродные волокна, обработанные плазмой.
Целью работы является разработка технологии повышения адгезионных свойств углеродных волокнах.
Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
- провести анализ предметной области, включающий анализ типов волокон и их применения;
- дать описание основных характеристик волокон и методов исследований свойств;
- исследовать технологические свойства углеродных волокон: капиллярность, адгезию.
- исследовать термические свойства углеродного волокна и препрега на его основе.
Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Известно, что среди непрерывных армирующих наполнителей наибольшее распространение получили волокнистые материалы. Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (Si02, А1203, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов.
Актуальность: В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более прочный материалы, а значит — и более дешёвые. Для повышения их реакционной способности, а, следовательно, и увеличения адгезии, волокна обрабатывают неравновесной низкотемпературной плазмой. Поэтому, для исследований были выбраны углеродные волокна, обработанные плазмой.
Целью работы является разработка технологии повышения адгезионных свойств углеродных волокнах.
Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
- провести анализ предметной области, включающий анализ типов волокон и их применения;
- дать описание основных характеристик волокон и методов исследований свойств;
- исследовать технологические свойства углеродных волокон: капиллярность, адгезию.
- исследовать термические свойства углеродного волокна и препрега на его основе.
1. Современные композиционных материалы применяются в различных отраслях промышленности, а именно: авиация, ракетно-космическая техника, судостроение, машиностроение и многие другие отрасли. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, ф I тем выше становится качество этих материалов. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, и их применение позволяет снизить вес изделия и, соответственно, сократить расход топлива.
2. Свойства высокопрочных и высокомодульных углеродных и некоторых полимерных волокон превосходят характеристики стальных. Для углеродных полимерных волокон характерны низкая плотность, высокая удельная прочность при растяжении и высокое сопротивление динамическим нагрузкам. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. При производстве волокна могут наблюдаться дефекты такие как поры, трещины, склеивания, которые впоследствии влияют на механические свойства волокна.
3. На основе патентного поиска выявлено, что получают высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна, характеризующийся окислением предшественника и его последующей высокотемпературной обработкой, с натяжением, обеспечивающим вытяжку волокна, отличающийся тем, что волокно предшественник термообрабатывают СВЧ-излучением.
4. Установлено, что модификация углеродных волокон (УВ) в среде аргона позволяет повысить показатели высоты поднятия смолы для UMT45 для режима с U=4BT обработка с одной стороны значение увеличилось на 16%, а с обработкой с обеих сторон на 20%, для режима U=8BT С одной на 26%, с обеих сторон на 141%, для режима и=12Вт c одной стороны на 57%, с обеих сторон на 36%.
5. Для Т700 высота поднятия смолы составила для режима с и=8Вт с одной стороны на 27%, с обеих сторон на 24%, для режима и=12Вт c одной стороны на 22%, с обеих сторон на 24%.
6. Установлено, что с помощью лазерной модификации можно достичь значительного повышения сдвиговой прочности на 40-50% в микрокомпозитах. Достигается это при следующих параметрах U= 4 Вт; 8 Вт; 12 Вт, v= 20 мм/с. Данные параметры были выбраны оптимальными.
7. Установлен физико-химический механизм лазерной модификации поверхности УВ в защитной среде аргона.
8. Предложены технологические рекомендации формования углепластиков с повышенными показателями физико-механических свойств, на основе модифицированных УВМ.
9. Образцы марки UMT45 №3 и марки Т700 №5 имели более высокие значения силы выдёргивания P/l, которые составили 14,4 кг/мм и 11,9 кг/мм, соответственно. Оба образцы были обработаны лазером UMT45 с двух сторон и высота поднятия смолы h составляла 15,5 мм, Т700 обработана с 1 стороны и высота поднятия составила 13,9 мм. Минимальные значения P/l для UMT45 составило 6,7кг/мм, h- 6,6 мм, для T700 - P/l =5,04 кг/ мм h=9,7. Чем больше h, тем выше прочность соединения для одних и тех же условий проведения эксперимента.
10. Определено, что чем выше прочность соединения, тем большая работа требуется для его разрушения. Самое высокое значение P/l для марки UMT45 равно 14,4 кг/мм и его запрашиваемая работа для разрушения Аз равна 0,72 Дж, для Т700 P/l=6,9, Аз=0,68Дж.
11. Для изучения воздействия лазерной обработки и термообработки на изменение свойств межфазной границы при получении, нагружении и разрушении КМ разработан метод W-P-O, который позволяет экспериментально определять 5 ключевых свойств КМ: 1) смачивание и пропитку волокна матрицей; 2) критическую длину волокна; 3) усилие, необходимое для начала образования трещины на межфазной границе; 4) величину работы, требующейся для образования трещины и начала разрушения соединения и 5) полную работу разрушения соединения.
12. Установлено, что повысить прочность соединения между волокном и матрицей в 1,5-2,5 раза можно термообработкой КМ при повышенных температурах.
13. Проведены микроструктурные исследования углеродных волокон и качественная оценка основных типов дефектов.
14. При исследовании микроструктуры углеродных волокон видимых дефектов не обнаружено.
15. Исследованы термические свойства углеволокон Т-700, Umatex и пре- прегов на их основе.
16. Методом термогравиметрического анализа показано, что углеволокно Umateх характеризуется высоким содержанием кислородсодержащих поверхностных комплексов по сравнению с углеволокном Т-700. Потеря массы углеволокна производства Umatex при нагреве в инертной атмосфере до 550°С составляет около 12 %.
17. Установлено, что содержание полиэфирного связующего в препреге на основе углеволокна Т-700 выше на 4-5 % масс. и составляет примерно 35 % масс. по сравнению с препрегом на основе углеволокна производства Umatex.
18. Выявлено, что углеродные волокна различных производств не оказывают влияние на кинетику отверждения полиэфирного связующего.
19. Методом ДСК-анализа найдены характеристические температуры реакции отверждения полиэфирного связующего в препреге. Так, показано, что температура стеклования неотвержденного связующего составляет 12 °С,
2. Свойства высокопрочных и высокомодульных углеродных и некоторых полимерных волокон превосходят характеристики стальных. Для углеродных полимерных волокон характерны низкая плотность, высокая удельная прочность при растяжении и высокое сопротивление динамическим нагрузкам. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. При производстве волокна могут наблюдаться дефекты такие как поры, трещины, склеивания, которые впоследствии влияют на механические свойства волокна.
3. На основе патентного поиска выявлено, что получают высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна, характеризующийся окислением предшественника и его последующей высокотемпературной обработкой, с натяжением, обеспечивающим вытяжку волокна, отличающийся тем, что волокно предшественник термообрабатывают СВЧ-излучением.
4. Установлено, что модификация углеродных волокон (УВ) в среде аргона позволяет повысить показатели высоты поднятия смолы для UMT45 для режима с U=4BT обработка с одной стороны значение увеличилось на 16%, а с обработкой с обеих сторон на 20%, для режима U=8BT С одной на 26%, с обеих сторон на 141%, для режима и=12Вт c одной стороны на 57%, с обеих сторон на 36%.
5. Для Т700 высота поднятия смолы составила для режима с и=8Вт с одной стороны на 27%, с обеих сторон на 24%, для режима и=12Вт c одной стороны на 22%, с обеих сторон на 24%.
6. Установлено, что с помощью лазерной модификации можно достичь значительного повышения сдвиговой прочности на 40-50% в микрокомпозитах. Достигается это при следующих параметрах U= 4 Вт; 8 Вт; 12 Вт, v= 20 мм/с. Данные параметры были выбраны оптимальными.
7. Установлен физико-химический механизм лазерной модификации поверхности УВ в защитной среде аргона.
8. Предложены технологические рекомендации формования углепластиков с повышенными показателями физико-механических свойств, на основе модифицированных УВМ.
9. Образцы марки UMT45 №3 и марки Т700 №5 имели более высокие значения силы выдёргивания P/l, которые составили 14,4 кг/мм и 11,9 кг/мм, соответственно. Оба образцы были обработаны лазером UMT45 с двух сторон и высота поднятия смолы h составляла 15,5 мм, Т700 обработана с 1 стороны и высота поднятия составила 13,9 мм. Минимальные значения P/l для UMT45 составило 6,7кг/мм, h- 6,6 мм, для T700 - P/l =5,04 кг/ мм h=9,7. Чем больше h, тем выше прочность соединения для одних и тех же условий проведения эксперимента.
10. Определено, что чем выше прочность соединения, тем большая работа требуется для его разрушения. Самое высокое значение P/l для марки UMT45 равно 14,4 кг/мм и его запрашиваемая работа для разрушения Аз равна 0,72 Дж, для Т700 P/l=6,9, Аз=0,68Дж.
11. Для изучения воздействия лазерной обработки и термообработки на изменение свойств межфазной границы при получении, нагружении и разрушении КМ разработан метод W-P-O, который позволяет экспериментально определять 5 ключевых свойств КМ: 1) смачивание и пропитку волокна матрицей; 2) критическую длину волокна; 3) усилие, необходимое для начала образования трещины на межфазной границе; 4) величину работы, требующейся для образования трещины и начала разрушения соединения и 5) полную работу разрушения соединения.
12. Установлено, что повысить прочность соединения между волокном и матрицей в 1,5-2,5 раза можно термообработкой КМ при повышенных температурах.
13. Проведены микроструктурные исследования углеродных волокон и качественная оценка основных типов дефектов.
14. При исследовании микроструктуры углеродных волокон видимых дефектов не обнаружено.
15. Исследованы термические свойства углеволокон Т-700, Umatex и пре- прегов на их основе.
16. Методом термогравиметрического анализа показано, что углеволокно Umateх характеризуется высоким содержанием кислородсодержащих поверхностных комплексов по сравнению с углеволокном Т-700. Потеря массы углеволокна производства Umatex при нагреве в инертной атмосфере до 550°С составляет около 12 %.
17. Установлено, что содержание полиэфирного связующего в препреге на основе углеволокна Т-700 выше на 4-5 % масс. и составляет примерно 35 % масс. по сравнению с препрегом на основе углеволокна производства Umatex.
18. Выявлено, что углеродные волокна различных производств не оказывают влияние на кинетику отверждения полиэфирного связующего.
19. Методом ДСК-анализа найдены характеристические температуры реакции отверждения полиэфирного связующего в препреге. Так, показано, что температура стеклования неотвержденного связующего составляет 12 °С,
Подобные работы
- Разработка технологии повышения адгезионных свойств углеродных волокон
Дипломные работы, ВКР, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019