4_Nemat_mat

26

В органоволокнитах значення модуля пружності і температурних коефіцієнтів розширення волокон і матриці близькі. Це обумовлює стабільність їх механічних властивостей при різкому перепаді температур. Для таких КМ характерний високий рівень ударної в’язкості. Більшість органоволокнитів може тривало працювати при 100-150°С, а КМ з поліамідною матрицею і поліоксодізольними волокнами при температурі до 300°С.

Недоліком цих матеріалів є порівняно низька міцність при стисканні і схильність до повзучості.

Для підвищення міцності і твердості органоволокнитів для їх армування разом із синтетичними волокнами застосовують скляні, вуглецеві або борні волокна.

Органоволокнити застосовують в авіації, автомобілебудуванні. З них виготовляють труби, ємності, покриття.

2.1.4. Властивості КМ

Для більшості композитів параметри міцності змінюються прямо пропорційно об'ємній частці волокон. Міцність при розтягненні можна визначити за рівнянням:

sр = sв ×Vв + sм (1 - Vв ),

(1)

де sв – міцність волокон,

Vв – об’ємна частка волокон,

sм – напруження в матриці в момент руйнування волокон.

Верхня границя міцності КМ при розтягненні визначається, в основному, максимальною об’ємною часткою волокон. Припустиме об'ємне наповнення як правило не перевищує 65-70 %. Оскільки матриця на міцність КМ впливає порівняно мало, міцність приблизно можна визначити за формулою:

sр = sв ×Vв

(2)

Дискретні волокна зміцнюють композиційний матеріал у меншій мірі, ніж безперервні. Непаралельність волокон істотно знижує ефективність зміцнення КМ, армованого дискретними волокнами.

27

2.1.5. Виготовлення композиційних матеріалів

зполімерною матрицею та деталей з них.

Упромислових технологіях, як правило, формування композиційного матеріалу і виготовлення з нього деталей поєднані. Технологічний процес складається з наступних основних операцій:

-з′єднання полімерного зв’язуючого з арматурою просоченням розчином чи емульсією волокон (або їх сітки) чи нанесенням шарів порошкоподібного зв’язуючого на кожен шар арматури;

-приготування напівфабрикатів у вигляді пакетів намотуванням, викладенням на оправках або протягуванням, наприклад, при виготовленні профільних виробів;

-формування виробу з застосуванням прямого пресування, ва- куум-формування, контактного формування, автоклавного формування.

2.2. Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно пропрацювати такі питання:

1.Склад і класифікація КМ з неметалевою матрицею.

2.Призначення матриці і вимоги до її матеріалу.

3.Призначення волокон і вимоги до їх матеріалу.

4.Описати вплив характеру границь між матрицею і волокнами на властивості КМ.

5.Карбоволокнити з полімерною і вуглецевою матрицями.

6.Бороволокнити.

7.Органоволокнити.

2.3. Контрольні питання

1.Як класифікують КМ з неметалевою матрицею за схемою армування, типом фази, що зміцнює, і матриці.

2. Навести приклади впливу різних схем армування на властивості КМ.

3.Охарактеризувати структуру і властивості карбоволокнитів, навести приклади доцільності використання цих матеріалів.

28

4. Описати структуру, властивості та застосування бороволокнитів.

5.В яких умовах проявляються переваги органоволокнитів над іншими КМ з неметалевою матрицею ?

6. Яким чином впливає на властивості КМ довжина волокон та міцність їх з’єднання з матрицею ?

7.Оцінити термостійкість композиційних матеріалів з різними типами волокон і неметалевих матриць.

2.4. Матеріали і устаткування

Набір зразків і деталей композиційних матеріалів з неметалевою матрицею, розривна машина, обладнана піччю.

2.5. Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

2.6. Порядок виконання лабораторної роботи

Ознайомитися зі зразками композиційних матеріалів з неметалевою матрицею та технологією їх виготовлення.

Провести випробування зразків волокон, матриць і композиційних матеріалів з неметалевою матрицею на розтягнення при температурах, наведених в таблиці 2.4. Результати випробувань занести у вказану таблицю.

Провести випробування зразків вуглепластиків з різною схемою армування відповідно рис.2.1 та табл.2.5. Результати занести в табл.2.5.

Таблиця 2.4 – Міцність бороволокнитів з епоксидним та поліамідними зв’язуючими при згині в залежності від температури випробувань

Температура ви-	σзг, МПа, бороволокнита з	σзг, МПа, бороволокнита з
пробувань, °С	епоксидним зв’язуючим	поліамідним зв’язуючим
20
10

29

200

300

1 – повздовжна; 2 – під кутом 45°С; 3 – взаємно перпендикулярна; 4 – поперечна Рисунок 2.1 – Схема армування вуглепластиків

з епоксидною матрицею (Vв=0,63)

Таблиця 2.5 – Залежність між напруженням та деформацією при розтягненні епоксидних вуглепластиків з різною схемою армування

Схема армування

Напруження σ, МПа, при деформації ε, %

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

1

2

3

4

2.7. Порядок оформлення звіту

Мета роботи, загальні відомості. Дати коротку характеристику основних видів КМ із полімерними матрицями. Відмітити їх переваги і недоліки в порівнянні з неармованими матеріалами. Описати технологію виготовлення досліджених у даній роботі КМ і деталей з них. За результатами випробувань побудувати графіки залежностей міцності КМ від температури випробувань та схем армування. Розрахувати міцність КМ за даними, вказаними викладачем, з застосуванням спрощеного та повного правила суміші. Порівняти результати та пояснити в яких випадках можливо користуватися спрощеним правилом суміші. Зробити висновки за отриманими результатами.

2.8. Література

30

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп.

– М.: Машиностроение, 1990. – С 465 – 481.

31

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

Дослідження будови і властивостей конструкційних вуглеграфітових матеріалів

Мета роботи: вивчити будову, фізико-механічні властивості і технологію виготовлення вуглеграфітових матеріалів.

3.1. Загальні відомості

Графіт застосовується для виготовлення деталей ракет, ядерних реакторів, плавильних машин, підшипників і антифрикційних покриттів.

Графіт поєднує високі жароміцність, кислотостійкість, електропровідність і теплопровідність, Його повзучість до температури 1700°С не виявляється, а при температурах 2300-2900°С невелика. Міцність і модуль пружності графіту ростуть з підвищенням температури до

2200-2400°С.

Штучно графіт одержують в результаті нагрівання суміші коксу і пеку до 2800°С, а також осадженням з газоподібних вуглеводнів при 1400-1500°С у вакуумі з наступним нагріванням осаду, що утворився, до 2500-2600°С при тиску близько 50 МПа. Отриманий з вуглеводнів пірографіт має високу міцність.

Із синтетичних волокон і тканин за рахунок спеціальної термічної обробки одержують вуглецеві волокна і тканини, що застосовується в композиційних матеріалах.

3.1.1. Вуглецеві волокна

Вуглецеві волокна одержують на основі полімерних поліакрилонітрильних (ПАН) волокон і нафтового пеку. Їх відповідно до цього розділяють на ПАН-вуглецеві і пекові вуглецеві волокна.

В залежності від значень міцності і модуля пружності розрізняють високоміцні (Е=200-300 ГПа) і високомодульні (Е=400ГПа) ПАН волокна. Для пекових волокон значення модуля пружності досягає 360 ГПа, міцність складає приблизно 2000 МПа. У таблиці 3.1 приведена характеристика вуглецевих волокон.

32

Таблиця 3.1 – Властивості вуглецевих волокон

		Вміст	Густина	Діаметр	Модуль	Короткоча-	Відносне
	Тип волокон	вуглецю,	g×10-3,	волокон,	пружно-	сна міц-	видов-
		% мас.	кг/м3	мкм	сті, ГПа	ність, ГПа	ження, %
	Віскозні (висо-	99,9	1,66	6,5	393	2,2	0,6
	ко-модульні)
	Поліакрило-
	нітрильні висо-	92,0	1,73	7,0	230	3,1	1,3
	коміцні
	Поліакрило-
	нітрильні висо-	99,4	1,81	6,5	390	2,4	0,6
	комодульні
	Пекові	99,4	2,0	10,0	380	2,1	0,5

Процес виробництва вуглецевих волокон складається з трьох етапів: одержання полімерного волокна, стабілізації і графітизації. Стабілізація полягає в окислюванні волокон на повітрі при 200-300°С. В результаті стабілізації термопластичні полімерні волокна втрачають здатність плавитися і карбонізуются без зміни форми. Процес карбонізації здійснюють в атмосфері азоту при температурі 1400°С. При нагріванні синтетичні волокна розкладаються з утворенням стрічкоподібних шарів вуглецю з гексагональною структурою, що називаються мікрофібрилами. Групи однаково орієнтованих микрофібрил, розділених вузькими порами, утворюють фібрили. Кожне вуглецеве волокно складається з тисяч фібрил. Структура вуглецевого волокна залежить від складу макромолекул вихідних полімерів, ступеня витяжки волокон, технології їх одержання.

3.1.2. Вуглець-вуглецеві композиційні матеріали (ВВКМ)

Композиційні матеріали (КМ) з полімерною матрицею працездатні до температури 250°С. Заміною полімерної матриці на вуглецеву створено новий клас КМ – вуглець-вуглецеві матеріали. Вуглецьвуглецеві КМ можуть тривалий час працювати у відновлювальних і нейтральних середовищах при температурах 3000–3500°С, в окислювальних – до температур 350-400°С. На відміну від багатьох матеріалів

33

з підвищенням температури їх характеристики міцності не знижується,

азростають. Ці матеріали стійкі до дії термічних ударів (термостійкі).

Ввуглець-вуглецевих композиційних матеріалах каркас, що зміцнює, виготовляють з вуглецевих волокон, а матрицю – з монолітного вуглецю. Каркас – тканий з вуглецевих ниток малого діаметра. Застосовується також укладання вуглецевих тканин, що прошиті нитками. Каркаси можуть бути створені з вуглецевих джгутів і стрічок. Для виготовлення каркасів застосовують високоміцні і високомодульні волокна.

Матриця утворюється на каркасі шляхом його просочуванням, або нанесенням на волокна покриття. Потім заготовку піддають ущільненню, карбонізації і графітизації.

Як матричні просочувальні матеріали застосовують термореактивні фенольні і фурфуролові смоли, а також пеки з кам'яновугільної смоли чи нафти. Каркас просочують смолою чи розплавом пеку за допомогою надлишкового тиску або вакууму. Після просочення здійснюють отвердіння термореактивних смол. Потім вироби нагрівають до 650-1100°С для карбонізації. Пекові складові карбонізують в інертній (азотній) атмосфері. Вихід коксу з термореактивних смол досягає 7075 %, а з кам'яновугільних – 50-65 %. На наступному етапі одержують вуглецеву матрицю графітизацією при температурі 2602-2752°С. Для досягнення максимальної щільності композиційного матеріалу всі технологічні цикли (просочення, твердіння, карбонізацію і графітизацію) багаторазово повторюють. Для одержання ВВКМ з високою міцністю

з′єднання арматури з матрицею застосовують газофазний метод осадження матричного матеріалу на вуглецеві волокна. Для цього метан чи природний газ продувають через нагрітий каркас із вуглецевих волокон. На волокнах утворюється осад, який потім піддають графітизації. Найбільша щільність композиційного матеріалу досягається при комбінуванні газофазного осадження і просочення смолою. Механічні властивості ВВКМ із різним армуванням приведено в таблиці 3.2.

Міцність і жорсткість при високих температурах, низький коефіцієнт термічного розширення, низька щільність у порівнянні з металами і керамікою, висока термостійкість обумовлюють використання ВВКМ насамперед у ракетно-космічній і авіаційній техніці. ВВКМ застосовують для деталей ракетних двигунів (наприклад, сопла і камер

34

згоряння), гальм літаків, високотемпературних трубопроводів, деталей ядерних реакторів, пресформ гарячого пресування.

Таблиця 3.2 – Механічні властивості вуглець-вуглецевих КМ

	Характеристика	Вид арматури
		Односпрямовані висо-	Графітова тканина три-
		комодульні волокна	мірної структури
	Густина (g×10-3 ), кг/м3	1,52	1,45
	Границя міцності при	619	98
	розтягненні, МПа
	Питома міцність при	41	6,8
	розтягненні, км
	Питома міцність при	-	25
	зсуві, км
	Границя міцності при	-	17,2
	зсуві, МПа

3.1.3. Антифрикційні вуглеграфітові матеріали

Антифрикційні матеріали на основі вуглецю виготовляють з нафтового коксу і кам'яновугільного пеку з додаванням природного графіту. Деталі пресують, потім робиться відпал, просочення і графітизація.

Границя міцності вуглецевих антифрикційних матеріалів має найбільш високе значення при випробуванні на стискання. При загині границя міцності вуглецевих антифрикційних матеріалів у 2-3,5 рази нижче, ніж при стисканні. Деталі з вуглеграфіта (ущільнювальні кільця, підшипники) застосовуються в механізмах, що працюють при високих температурах чи в агресивних середовищах. При ударних або навантаженнях розтягнення їх не застосовують.

Антифрикційні вуглеграфітові матеріали марок АТ-1500, АГ-1500, АГ-600 призначені для виготовлення деталей вузлів тертя (кілець, радіально-торцевих ущільнень), що працюють в умовах сухого тертя (при цьому їх коефіцієнт тертя становить 0,03-0,1).

3.2. Завдання на підготовку до лабораторної роботі

Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно пропрацювати такі питання:

35

1.Характеристика атомної будови, структури та ступеня анізотропії природного, технічного і піролітичного типів графіту.

2.Фізикомеханічні властивості штучного графіту.

3.Поверхневий захист графіта.

4.Антифрикційні графітові матеріали.

5.Недоліки, переваги та застосування графіту як конструкційного матеріалу.

3.3.Контрольні питання

1.Охарактеризуйте структуру та властивості природного і штучного графіту.

2.Охарактеризуйте властивості (модуль пружності, міцність, швидкість повзучості) графіту при підвищених температурах.

3.Наведіть приклади технологій отримання штучного графіту.

Вяких випадках і які види технологій застосовуються ?

4.Які матеріалі є сировиною для виготовлення штучного графіту?

5.Яка технологія використовується для підвищення густини і механічних властивостей штучного графіту ?

6.Чим пояснюється висока коштовність штучного графіту ?

7.Опишіть технологію отримання вуглецевих волокон. Які процеси відбуваються при стабілізації і графітизації ПАН волокон ?

8.Яка різниця в структурі високо пружних і високоміцних во-

локон ?

9.Опишіть типи технологій отримання вуглець-вуглецевих

КМ.

10.Наведіть приклади деталей які доцільно виготовляти з графітових матеріалів.

3.4.Матеріали і устаткування

Набір зразків і деталей вуглеграфітових матеріалів; розривна машина, обладнана піччю.

3.5. Вказівки з техніки безпеки