Увеличить
Уменьшить
Добавить в избранное
 
Главная
О проекте
Анкеты
Семинары
Статьи
Контакты
Базы данных
Рейтинг ресурсов УралWeb
 

Центр дистанционного обучения

Учебно-методический центр

Интернет-портал интеллектуальной молодёжи

Уфимская доска объявлений

Погода в Уфе
и других городах

конкурс сайтов

конкурс сайтов
123

Раздел посвящен передовым технологиям.

Здесь публикуются статьи ученых и инженеров Республики Башкортостан, отражающие реализацию их творческого потенциала, а также статьи по темам информационных семинаров, проводимых в РНТИК "Баштехинформ".

Машиностроение

Технологии твердофазного совмещения и готовых форм как основа создания стекловолоконных композитов на термопластичных связующих и изделий из них

19 мая 2003

УДК 648.046:678.07;678.02

Ю. С. Первушин

Уфимский государственный авиационный технический университет

Одним из путей развития научно-технического потенциала РБ является использование развитой полимерной промышленности для создания крупного производства перспективных композиционных материалов и изделий из них по экологически чистым и высокопроизводительным технологиям.

Одним из перспективных направлений увеличения объема переработки полипропилена, полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола является использование их для создания конструкционных композитов и изделий из них на основе твердофазного совмещения непрерывных стекловолокон и волокон из перечисленных полимеров. Твердофазное совмещение позволяет получать армирующие каркасы композитных изделий по форме близкие к готовым изделиям (технология готовых форм).

Принцип твердофазного совмещения непрерывных армирующих и матричных волокон наиболее эффективен для создания текстильных и нетканых армирующих каркасов при производстве различных труб, профилей, элементов конструкций различного назначения в машиностроении, сельском хозяйстве, сельхозмашиностроении, коммунальном хозяйстве, нефтехимическом оборудовании по так называемой технологии готовых форм. Подробно технология твердофазного совмещения изложена в [1, 2, 3, 4, 5] . Коротко лишь напомним.

Традиционные технологии производства конструкционных стеклопластиков базируются на использовании жидкофазного совмещения полиэфирных, эпоксидных и других термореактивных смол с армирующими материалами. Экологическая сторона их производства оставляет желать много лучшего.

Твердофазное совмещение армирующих и матричных волокон предполагает использование в качестве матричного материала волокна термопластичных полимеров (полипропилена, полиэтилена, полистирола и др.). Совмещение их с армирующими волокнами производится методами текстильной и нетканой технологий (ткачества, вязания, плетения, нетканых способов). Получаемые полуфабрикаты могут быть в виде лент (жгутов), тканей различного переплетения, трикотажа.

Перспективным направлением является так называемая технология готовых форм. В основе этой технологии положено получение полуфабриката, формы и размеры которого близки к готовому изделию. Например, если готовым изделием является труба, то полуготовой формой является трубчатый рукав, в структуре которого заложены армирующие и матричные волокна. Если изделием является капот снегохода, то полуготовой формой армирующего каркаса будет структура, имеющая форму капота, и т. д. При воздействии необходимой температуры и давления матричные волокна расплавляются и монолитизируют изделие.

Получение изделий с заданными конструкционными свойствами (прочностью и жесткостью) предполагает выбор наиболее оптимальных текстильных и нетканых структур армирующих каркасов. Выбор оптимальной структуры определяется многими факторами, такими как форма элемента конструкции, его конструкционные свойства и технологические методы изготовления, эксплуатационные и стоимостные показатели. Очень важно увязать форму и свойства текстильного или нетканого полуфабриката с методом изготовления композита, которые обеспечивали бы наиболее экономически целесообразные эксплуатационные параметры композитной конструкции при минимальных затратах.

Естественно необходимо обеспечение достаточной прочности и жесткости конструкции. В общем понимании под прочностью и жесткостью понимается обеспечение несущей способности при различных видах напряженного состояния (растяжении, сжатии, сдвиге, изгибе и их сочетаний).

Выбор структуры армирующего каркаса зависит от вида напряженного состояния элемента конструкции, которое оно будет испытывать в процессе эксплуатации. Так для стержневых систем, которые испытывают растяжение, сжатие, предпочтительны линейные структуры, когда армирующие и матричные волокна расположены параллельно (рисунок 1).

Рисунок 1. Линейные структуры армирующих каркасов

Для плоских или с малой кривизной композитных элементов предпочтительней плоские текстильные структуры полотняного, сатинового переплетения либо трикотажные (вязаные) структуры с проложенными линейными нитями вдоль основы и утка (рисунок 2).

Рисунок 2. Армирующие каркасы плоские и с малой кривизной

Характерной особенностью слоистых плоских структур является слабое сопротивление отрыву по оси Z и межслойному сдвигу. Для устранения этого текстильная структура должна иметь пространственную интегрированную систему, когда все нити по толщине соединены друг с другом, что обеспечивает необходимую прочность при межслойном сдвиге и отрыве.

На рисунке 3 представлены некоторые типы пространственных структур армирующих каркасов.

Для трубчатых сечений, стержневых профилей и др. целесообразными являются пространственные структуры, образованные системой двух нитей (рисунок 4). На этом способе остановимся поподробнее.

а - тканая структура, образованная системой двух нитей;

б - тканая структура, образованная системой трех нитей;

в - пятинаправленная нетканая структура

Рисунок 3. Пространственные структуры армирующих каркасов

 

Рисунок 4. Трубчатое сечение со структурой переплетения системой двух нитей

Характерным признаком материалов, образованных системой двух нитей, является наличие заданной степени искривления волокон в направлении основы (ось Х); волокна утка (ось У) прямолинейны. Арматура в третьем направлении (ось Z) отсутствует. Образование межслойных связей достигается за счет переплетения волокон основы с прямолинейными волокнами утка. При этом характер межслойных связей может быть различным. Различия в характере образования связей создаются способом соединения прямолинейных волокон утка как по высоте пакета, так и по направлению оси Х. На рисунке 5 представлены некоторые варианты переплетения волокон основы с прямолинейными волокнами утка.

I соединение рядом лежащих слоев;

II соединение через один слой;

III соединение с переменной плотностью по утку;

IV соединение через два слоя с использованием в направлении Х прямых волокон

Рисунок 5. Структуры армированных каркасов, образованных системой двух нитей

Степень искривления волокон основы (угол q ) в рассматриваемых схемах армирования изменяется в широких пределах. Изменяя угол наклона волокон в направлении оси Х, можно в широких пределах изменять упругие и прочностные характеристики композита. Необходимо иметь ввиду, что при изменении угла наклона в направлении оси Х увеличение одних характеристик происходит за счет снижения других. Использование наряду с искривленными волокнами (в направлении оси Х) прямых волокон позволяет регулировать изменение характеристик композита за счет объемного соотношения прямых и искривленных волокон.

Создание пространственных связей системой двух нитей позволяет создавать композиты с переменными свойствами по высоте (рисунок 5. III ).

Композиты, образованные системой двух нитей, обладают способностью значительно (в 1,5 - 2 раза ) повысить несущую способность материала, особенно при межслойном сдвиге и отрыве.

Плетенные структуры для армирующих каркасов.

Технологический процесс плетения в силу высокой производительности, низкой себестоимости и относительной простоты является одним из наиболее экономически целесообразным технологическим методом создания готовых и полуготовых форм армирующих каркасов для большой номенклатуры изделий при твердофазном совмещении армирующих и матричных волокон.

Принципиальное функциональное отличие плетеной и тканой структуры (считая, что обе структуры ортогональные) заключается в том, что единичная ячейка плетеного материала ориентирована под углом 450 к направлению формирования материала, а в тканом она параллельна этому направлению (рисунок 6).

Направление выработки материала

а тканая структура;     б плетеная структура

Рисунок 6. Сравнение тканой и плетеной структуры

Сравнение рукавных полотен, одинаковых по размеру и структуре переплетения, образованных ткачеством и плетением, показывает высокую деформируемость плетеной структуры при сдвиге в осевом и радиальном направлениях. Тканая структура наоборот в этих направлениях имеет наибольшую жесткость. Радиальная податливость плетенного рукава позволяет с помощью процесса плетения производить заготовки сложной кривизны. Эго свойство является ключевым для многих потенциальных областей применения плетеных структур в технологии композитов.

Для элементов, воспринимающих осевые растягивающие или сжимающие нагрузки, в плетеную структуру вводятся дополнительные осевые нити, в результате образуется плетеная трехосная структура армирующего каркаса.

Процесс плетения применительно к композитам наиболее гибок, когда плетеная заготовка изготавливается на сердечнике (оправке). В таких условиях конечная конфигурация армирующего каркаса задается формой оправки.

Характерная особенность процесса плетения, которая делает его особенно интересным с точки зрения технологии композитных изделий относительная легкость реализации в заготовке и изделии вырезов, введения вкладышей, крепежных деталей и т.д. (рисунок 7).

а в плетеной структуре; б методом сверления

Рисунок 7. Образование отверстия

Расположение нитей по локально искривленной траектории и отсутствие перерезанных волокон вблизи отверстия позволяют полностью сохранить прочность системы всех нитей. Несущая способность изделий вблизи такого отверстия существенно отличается от свойств аналогичного изделия, в котором отверстие просверлено.

Следующим шагом по пути усложнения технологии двумерного плетения пространственное плетение, когда материал образуется путем перекручивания или ортогонального переплетения двух или более систем нитей с образованием пространственной структуры на специальных машинах. Системы пространственного плетения позволяют получать структуры с большой и малой толщиной и сложными поперечными сечениями (рисунок 8).

В настоящее время находят все большее применение основовязаные структуры, усиленные прямолинейными нитями вдоль основы, утка и диагоналей, проходящим сквозь толщину материала (рисунок 9).

Рисунок 8. Армированные изделия, которые можно изготовить методом пространственного плетения

Структурная целостность армирующих каркасов зависит от целостности рисунка переплетения. При прочих равных условиях пространственные ткани и плетения должны обладать большей структур- ной целостностью, чем ортогональные нетканые материалы и много- направленные основовязаные трикотажи. С точки зрения формуемости и возможности создания изделий с практически чистовыми размерами пространственное плетение наиболее подходит для получения армирующих каркасов, легко принимающих нужную форму. Уровень формуемости вязаных структур также высок, что делает их удобными для переработки в композит методами формования.

а уточное вязание;

б многонаправленная основовязаная структура

Рисунок 9. Вязаные структуры армирующих каркасов с проложенными прямолинейными нитями

Выбор наилучшей пространственной системы армирования зависит от многих факторов и в наибольшей степени от сферы применения композитов. Для объективной оценки свойств различных композитных систем необходимо иметь их эксплуатационные и стоимостные показатели.

Полученные вышеперечисленными методами готовые или полуготовые армирующие каркасы помещаются в соответствующие прессформы и подвергаются воздействию давления и необходимой для плавления матричных нитей температуры. После охлаждения и извлечения из формы готового изделия, оно пригодно для конечных контрольных испытаний.

Технология готовых форм позволяет сократить время на конструирование изделия, значительно сократить затраты на изготовление и проверку. Гарантии воспроизводимости обеспечиваются технологией ткачества. Указанная технология обладает преимуществами, вытекающими из маневренности и адаптационности твердофазного совмещения и способами ( ткаными и неткаными ) создания армирующих каркасов.

Технология готовых форм позволяет использовать большое разнообразие нитей и тканей, отвечающих определенным областям использования. Учитывая наличие в РБ ткацкого и трикотажного производства (АО "СТЕКЛОНиТ", АО "Уфимский хлопчатобумажный комбинат", АООТ "Уфимская трикотажная фабрика", Ишимбаевская чулочная-носочная фабрика АО "Чулпан" и др.) создание композитных материалов и изделий из них для различных отраслей народного хозяйства РБ и других областей новыми способами является многообещающим.

Литература

  1. Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов / Г. С. Головкин, В. А. Гончаренко, В. П. Дмитриенко и др.: Под ред. Г. С. Головкина. М.: изд. МАИ, 1993. 232 с.
  2. Моделирование твердофазного совмещения армирующих и матричных волокон при производстве композиционных материалов по "волоконной технологии"/Ю.С. Первушин, В.П. Павлов, В.Д. Звонарев // Сборник докладов конференции "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий"Уфа: изд-во "Гилем", 1997. с.253-262.
  3. Подпрограмма "Разработка конструкционных композиционных материалов с заданными свойствами на основе полипропилена с использованием перспективной волоконной технологии" / Ю.С. Первушин // Итоги деятельности отделения технических наук за 1997 год Уфа: изд-во Гилем", 1997, с.21-22.
  4. Концепция развития научного обеспечения создания перспективных композиционных материалов на базе производимых в РБ стекловолокон и термопластичных полимеров (полипропилена, полиэтилена, полистирола ) / Ю. С. Первушин // Материалы науч.практ. конф. " Научно-технический и научно-образовательный комплексы региона: проблемы и перспективы развития", Уфа, УГАТУ, 1998.
  5. Разработка конструкционных композиционных материалов с заданными свойствами на основе полипропилена с использованием перспективной "волоконной технологии" // Отчет АН РБ ИПТЭР 1996-1998, 1998.

Информация взята из сборника трудов "Техника на пороге XXI века", 1999 г.

Последние опубликованные статьи

Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей экономики:

Как продвигать российские научные журналы в международные наукометрические базы // 11 февраля 2015

Государство и право. Юридические науки:

Защита исключительных прав при осуществлении внешнеэкономической деятельности // 17 января 2014

Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей экономики:

Предпосылки создания энергомашиностроительного кластера в Республике Башкортостан // 17 октября 2011

СТАТЬИ ПО РАЗДЕЛАМ НАУКИ И ТЕХНИКИ:

ПОИСК ПО ВСЕМ БАЗАМ
ПРИГЛАШЕНИЕ К СОТРУДНИЧЕСТВУ
 
НАШИ УСЛУГИ
Главная
О проекте
Анкеты
Семинары
Статьи
Форум
Контакты

Республиканский информационный банк данных наукоемких технологий