Разработка технологии формования композитов методом вакуумной инфузии с использованием неорганических связующих
|
1.1. Современные технологии создания изделий из полимерных композиционных материалов с использованием армирующих наполнителей....13
1.2. Связующие для изготовления ПКМ 19
1.3. Технологии сварки 25
Выводы по первой главе 37
Глава 2. Объекты и методы исследования 38
2.1. Объекты исследования 38
2.2. Методы исследования 43
Глава 3. Экспериментальная часть 50
3.1. Структурные исследования 50
3.2. Изготовление образцов с применением новых сварочных технологий 56
3.3. Анализ структур после сварки 62
Вывод по третьей главе 77
Глава 4. Теоретическая оценка свойств элементарных нитей с медным покрытием 78
4.1. Тепловой расчёт элементарной углеродной нити с металлическим
покрытием 78
4.2. Результаты моделирования 90
Глава 5. Экспериментальная оценка свойств композитов на основе углеродной ленты с металлическим покрытием на основе неорганических связующих 91
5.1. Термогравиметрический анализ 91
5.2. Механические испытания 92
Заключение 93
Список использованных источников 95
1.2. Связующие для изготовления ПКМ 19
1.3. Технологии сварки 25
Выводы по первой главе 37
Глава 2. Объекты и методы исследования 38
2.1. Объекты исследования 38
2.2. Методы исследования 43
Глава 3. Экспериментальная часть 50
3.1. Структурные исследования 50
3.2. Изготовление образцов с применением новых сварочных технологий 56
3.3. Анализ структур после сварки 62
Вывод по третьей главе 77
Глава 4. Теоретическая оценка свойств элементарных нитей с медным покрытием 78
4.1. Тепловой расчёт элементарной углеродной нити с металлическим
покрытием 78
4.2. Результаты моделирования 90
Глава 5. Экспериментальная оценка свойств композитов на основе углеродной ленты с металлическим покрытием на основе неорганических связующих 91
5.1. Термогравиметрический анализ 91
5.2. Механические испытания 92
Заключение 93
Список использованных источников 95
При создании конструкционных полимерных композиционных материалов с использованием таких армирующих материалов, как ткани, ленты, волокна и др. [1], в качестве связующих традиционно использовались олигомерные материалы на основе эпоксидных, полиэфирных и фенольных смол [2]. Основным недостатком этих и других типов олигомерных связующих является их низкая тепло- и термостойкость [3], повышенная горючесть и большое количество летучих продуктов деструкции при термических воздействиях. Этих недостатков лишены композиты на основе неорганических связующих.
Среди большой группы неорганических связующих, по своим технологическим свойствам, фосфаты наиболее близки к органическим, так как твердеют при температурах до 300 °С. Традиционные полимерные композитные материалы представляют собой органические полимеры, армированные волокнами. Рабочая температура этих композитных материалов определяется температурой стеклования полимерной матрицы, величина которой не превышает 200-300 °C [3]. Установлено, что прочность таких материалов не велика, для увеличения прочности на межслоевой сдвиг в подобных случаях используют технологию прошивки, однако при использовании данного метода имеет место повреждение структуры. Данных недостатков лишены технологии с использованием сварочного оборудования, однако в технической литературе отсутствует информация, связанная с их применением при изготовлении изделий из ПКМ.
Углепластики широко используются в различны отраслях, наиболее известное- ракетно-космические конструкции [4], их преимущества хорошо известны, однако, длительный опыт применения этих материалов показал, что они обладают рядом недостатков. Одним из них является низкая стойкость к воздействию молнии [5].
Нанесение на поверхность углеродных лент медного покрытия позволяет использовать сварочные технологии, для соединения армирующих тканей между собой. Использование сварки для соединения между собой армирующих материалов в перспективе позволит использовать вместе органических связующих - неорганические, основным преимуществом которых являются существенно большие значения рабочих температур, которые достигают 1000°С, тогда как теплостойкость углепластиков на органических связующих, как правило, не превышает 250 °С.
Однако, для проведения сварки необходимо знать тепловые нагрузки, при которых, с одной стороны не будет происходить расплавление медного покрытия на поверхности углеродной ленты, а с другой стороны, будут обеспечиваться условия возникновения сварного шва (или сварной точки).
Целью является улучшение комплекса эксплуатационных свойств композитов на основе углеродных лент за счет применения сварочных технологий.
Задачи:
Разработка технологии получения композитов с использованием методов сварки;
Изучение структур и свойств углеродных лент;
Моделирование свойств армирующих наполнителей;
Изучение структур и свойств полученных композитов.
• Всероссийской студенческая конференция «Студенческая научная весна», 22 марта 2017г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва;
• XIII Молодежной научно-инженерной выставке «Политехника», ноябрь 2018 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва, (1 место);
• Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива 2018г.», 27-30 апреля 2018г. ЭУНК КБГУ, п. Эльбрус (1 место);
• XII Молодежной научно-инженерной выставке «Политехника», 21-24 ноября 2017 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва, (2 место);
• Международной научно-технической конференции «Современные направления и перспективы развития технологии обработки и оборудования в машиностроении 2018г.», 10-14 сентября 2018г., г. Севастополь;
• Всероссийская студенческая конференция «Студенческая научная весна», 17 апреля 2019г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва.
• Так же данная участвовала в конкурсе инновационных проектов «УМНИК», 20 ноября 2018г.
По материалам данных исследований написаны статьи:
• Burchenkova T., Slavkina V., Nelub.V. Modern technologies for the production of composites based on inorganic binders // Materials Today: proceedings. 2018. V.11, part 1. pp. 112-117.;
• Нелюб А.В., Славкина В.Э., Бурченкова Т.Д. Технология вакуумной инфузии формования композитов на основе неорганического связующего //Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2018. Том 2. 259-261 с.;
• Нелюб А.В., Бурченкова Т.Д., Петрова Т.В. Идентификация элементного состава композитов на основе неорганического связующего //Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2018. Том 2. 262-266 с.
Среди большой группы неорганических связующих, по своим технологическим свойствам, фосфаты наиболее близки к органическим, так как твердеют при температурах до 300 °С. Традиционные полимерные композитные материалы представляют собой органические полимеры, армированные волокнами. Рабочая температура этих композитных материалов определяется температурой стеклования полимерной матрицы, величина которой не превышает 200-300 °C [3]. Установлено, что прочность таких материалов не велика, для увеличения прочности на межслоевой сдвиг в подобных случаях используют технологию прошивки, однако при использовании данного метода имеет место повреждение структуры. Данных недостатков лишены технологии с использованием сварочного оборудования, однако в технической литературе отсутствует информация, связанная с их применением при изготовлении изделий из ПКМ.
Углепластики широко используются в различны отраслях, наиболее известное- ракетно-космические конструкции [4], их преимущества хорошо известны, однако, длительный опыт применения этих материалов показал, что они обладают рядом недостатков. Одним из них является низкая стойкость к воздействию молнии [5].
Нанесение на поверхность углеродных лент медного покрытия позволяет использовать сварочные технологии, для соединения армирующих тканей между собой. Использование сварки для соединения между собой армирующих материалов в перспективе позволит использовать вместе органических связующих - неорганические, основным преимуществом которых являются существенно большие значения рабочих температур, которые достигают 1000°С, тогда как теплостойкость углепластиков на органических связующих, как правило, не превышает 250 °С.
Однако, для проведения сварки необходимо знать тепловые нагрузки, при которых, с одной стороны не будет происходить расплавление медного покрытия на поверхности углеродной ленты, а с другой стороны, будут обеспечиваться условия возникновения сварного шва (или сварной точки).
Целью является улучшение комплекса эксплуатационных свойств композитов на основе углеродных лент за счет применения сварочных технологий.
Задачи:
Разработка технологии получения композитов с использованием методов сварки;
Изучение структур и свойств углеродных лент;
Моделирование свойств армирующих наполнителей;
Изучение структур и свойств полученных композитов.
• Всероссийской студенческая конференция «Студенческая научная весна», 22 марта 2017г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва;
• XIII Молодежной научно-инженерной выставке «Политехника», ноябрь 2018 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва, (1 место);
• Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива 2018г.», 27-30 апреля 2018г. ЭУНК КБГУ, п. Эльбрус (1 место);
• XII Молодежной научно-инженерной выставке «Политехника», 21-24 ноября 2017 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва, (2 место);
• Международной научно-технической конференции «Современные направления и перспективы развития технологии обработки и оборудования в машиностроении 2018г.», 10-14 сентября 2018г., г. Севастополь;
• Всероссийская студенческая конференция «Студенческая научная весна», 17 апреля 2019г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия, г. Москва.
• Так же данная участвовала в конкурсе инновационных проектов «УМНИК», 20 ноября 2018г.
По материалам данных исследований написаны статьи:
• Burchenkova T., Slavkina V., Nelub.V. Modern technologies for the production of composites based on inorganic binders // Materials Today: proceedings. 2018. V.11, part 1. pp. 112-117.;
• Нелюб А.В., Славкина В.Э., Бурченкова Т.Д. Технология вакуумной инфузии формования композитов на основе неорганического связующего //Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2018. Том 2. 259-261 с.;
• Нелюб А.В., Бурченкова Т.Д., Петрова Т.В. Идентификация элементного состава композитов на основе неорганического связующего //Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2018. Том 2. 262-266 с.
В обзорно - аналитической части работы рассмотрены современные технологии создания изделий из полимерных композиционных материалов с использованием армирующих наполнителей, проведена их сравнительная характеристика. Так же проведен анализ литературы по связующим для изготовления ПКМ. Исследованы различные методы сварки, в результате проведенного обзора литературы были определены наиболее подходящие методы сварки и подобраны связующие под задачу НИР.
При расчете осесимметричной модели элементарной нити для исследования влияния электромагнитных полей на углеродные ленты установлены:
Зависимость величины нагрева углеродных тканей от типа и толщины металлического покрытия;
Температура плавления медного покрытия на углеродной ленте не превышает 500ОС;
Зависимость температуры поверхности от потенциала, приложенного к торцам нити.
В результате проведенной экспериментальной части установлено, что сваривать металлизированную углеродную ткань при помощи пайки и ультразвуковой сварки возможно. Определен более выигрышный метод соединения слоев - метод пайки - полученные по данному методу образцы показали выше результаты на прочность и однородность структуры, чем образцы, полученные методом ультразвуковой сварки, так же поверхность ткани после пайки практически не повреждается и данный процесс автоматизировать легче чем метод ультразвуковой сварки.
Так же сделаны выводы, что очистка камеры перед напылением существенно меняет количество примесей на поверхности ленты, поэтому все исследования будут проводиться после очистки камеры. Найдена зависимость количества меди на поверхности от температуры до которой поверхность нагревается, установлено что после 420 °С медь на поверхности полностью выжигается.
Оценка полученных композитов на основе углеродной ленты с металлическим покрытием, с применением неорганических связующих проводилась в последней главе. Установлено, что даже при максимальных температурах (1000 °С) потери массы минимальна и не превысила 20 %. Что доказывает необходимость применения неорганических связующих в композитах при использовании их при высоких температурах. А показатели на межслоевой сдвиг гораздо выше у образцов с металлизирующим покрытием.
При расчете осесимметричной модели элементарной нити для исследования влияния электромагнитных полей на углеродные ленты установлены:
Зависимость величины нагрева углеродных тканей от типа и толщины металлического покрытия;
Температура плавления медного покрытия на углеродной ленте не превышает 500ОС;
Зависимость температуры поверхности от потенциала, приложенного к торцам нити.
В результате проведенной экспериментальной части установлено, что сваривать металлизированную углеродную ткань при помощи пайки и ультразвуковой сварки возможно. Определен более выигрышный метод соединения слоев - метод пайки - полученные по данному методу образцы показали выше результаты на прочность и однородность структуры, чем образцы, полученные методом ультразвуковой сварки, так же поверхность ткани после пайки практически не повреждается и данный процесс автоматизировать легче чем метод ультразвуковой сварки.
Так же сделаны выводы, что очистка камеры перед напылением существенно меняет количество примесей на поверхности ленты, поэтому все исследования будут проводиться после очистки камеры. Найдена зависимость количества меди на поверхности от температуры до которой поверхность нагревается, установлено что после 420 °С медь на поверхности полностью выжигается.
Оценка полученных композитов на основе углеродной ленты с металлическим покрытием, с применением неорганических связующих проводилась в последней главе. Установлено, что даже при максимальных температурах (1000 °С) потери массы минимальна и не превысила 20 %. Что доказывает необходимость применения неорганических связующих в композитах при использовании их при высоких температурах. А показатели на межслоевой сдвиг гораздо выше у образцов с металлизирующим покрытием.