01.04.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КОРАБЕЛЬНЫХ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ


Докт. техн. наук, ст. научн. сотр. Медведев В.В., канд. техн. наук Червяков А.Н.

          Современные пл сильно перегружены энергетическим оборудованием, аппаратурой и вооружением. Создание корабельных виброизолирующих креплений и виброизоляторов для механизмов пл помимо выполнения их основного назначения — обеспечения требуемых виброакустических характеристик, — требует значительной минимизации массы и габаритов при сохранении их прочностных характеристик. В соответствии с этим, перспективными для применения на пл являются композиционные материалы на полимерной основе.

          Применение композиционных материалов в технике началось в середине 20 столетия. В качестве виброизолирующих устройств они были впервые применены в автомобильной промышленности в 70-х годах. Углепластиковые рессоры автомобиля массой 2,3 кг заменили четырёхлистовые стальные рессоры массой 12,7 кг, показав при этом хорошие эксплуатационные результаты. Значительно повысилась виброзащита и снизился уровень шума в салоне при езде по неровным дорогам. Срок службы таких рессор соответствовал сроку службы автомобиля /1/. Следующим шагом было создание ударопоглощающих композиционных упругих элементов в лёгких миномётах, которые показали высокую надёжность при малых массе и габаритах.

          За последние десятилетия были созданы новые конструкционные материалы, отличающиеся высокой прочностью, большими значениями модуля упругости, малой удельной массой на металлической, керамической и полимерной основах.

          Композиционными являются материалы, состоящие из двух или более компонентов: отдельных волокон или других армирующих составляющих и связующей их матрицы. Они имеют специфические результирующие свойства, которые отличаются от первоначальных свойств составляющих их компонентов.

          Композиционные материалы классифицируются по виду армирующего наполнителя на волокнистые и дисперсно-упрочнённые. В волокнистых композитных материалах армирующим компонентом служат волокнистые структуры, а в дисперсно-упрочненных — различные частицы.

          Для создания корабельных виброизоляторов более предпочтительными являются волокнистые материалы, которые по сравнению с дисперсно- упрочнёнными материалами обладают следующими преимуществами:

          - они обладают более высокой прочностью. Материалы с высокой прочностью, как следует из литературных источников /2-4/, можно получать в основном в виде волокон. Это обусловлено тем, что волокна намного менее чувствительны к имеющимся в них дефектам, чем монолитные изделия;

          - они не требуют, как дисперсно-упрочненные композиционные материалы, пуансонов и матриц для прессового оборудования, сильно удорожающих продукцию и увеличивающих сроки выпуска серийных образцов;

          - в волокнистой композиционной структуре высокопрочные высокомодульные волокна равномерно распределяются в пластичной матрице (содержание их, может достигать 75%). В дисперсно-упрочнённых композитах оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 2-4%. Т.е., дисперсные материалы уступают по прочностным характеристикам волокнистым;

          - дисперсные частицы в указанных материалах в отличие от волокон создают только "косвенное" упрочнение, т.е. благодаря их присутствию стабилизируется структура, формирующаяся при термической обработке;

          - отличительной особенностью волокнистой композиционной структуры является также анизотропия свойств, обусловленная преимущественным распространением волокон в том или ином направлении. Таким образом, изменяя количественный и качественный состав волокон, можно целенаправленно влиять на требуемые характеристики изделия. В отличие от волокнистых материалов, дисперсно-упрочнённые материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях, что обусловлено равновесной формой упрочняющих дисперсионных частиц.

          Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о предпочтительном использовании волокнистых композитов в качестве конструкционного материала для изготовления упругих элементов корабельных виброизоляторов.

          В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в материале при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жёсткость и прочность материала в направлении ориентации волокон. Заполняющая пространство между волокнами связующая матрица, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счёт собственной жёсткости и взаимодействия, на границе раздела матрица-волокно.

          Таким образом, механические свойства композиционного материала определяются тремя основными параметрами:

          - прочностью армирующих волокон;
          - жёсткостью связующей матрицы;
          - прочностью связи на границе матрица-волокно.

          Эти параметры характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизма его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается рациональной технологией производства, обеспечивающей прочную связь между компонентами и, кроме того, правильным выбором исходных компонентов. Применяемые в конструкционных композитах армирующие волокна, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К ним относятся требования по прочности, жёсткости, плотности, стабильности свойств в определённом температурном интервале, химической стойкости и т.д.

          Теоретическая прочность материала возрастает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергии вещества g и падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями  :

 . (1)

          Следовательно, материалы упругих элементов виброизоляторов должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большую плотность. Этим требованиям из химических элементов, применяемых в композитных материалах, удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих компонентов, а зачастую состоят только из элементов данного ряда. При создании высокопрочных композитов применяются стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические нитевидные кристаллы, кристаллы ряда карбидов, оксидов и других соединений.

          Для изготовления виброизоляторов наиболее пригодны в качестве армирующих элементов стеклянные, углеродные, бериллиевые, титановые и другие волокна. Однако, высокая стоимость металлических волокон делает предпочтительным использование стеклянных волокон, как наиболее дешёвых, и углеродных волокон, как более термостойких при умеренной стоимости. Стеклянные волокна характеризуются однородностью и изотропностью. Они широко применяются при создании неметаллических конструкционных композитов — стеклопластиков. При сравнительно малой плотности (2,4-2,6? 103 кг/м3) они имеют высокую прочность, химическую и биологическую инертность. Промышленностью освоен выпуск волокон различной формы сечения: круглой, шестигранной, квадратной, трубчатой. Механические свойства волокон указаны в таблице 1.

Таблица 1
Механические свойства волокон

 Марка

стекла
 Плотность
 ? 10-3,
кг/м3
 Модуль
упругости
Е, ГПа
 Средняя
прочность на
базе 10 мм  ,
ГПа
 Предельная
деформация
 , %
Высокомодульное

ВМ-1

ВМП

УП-68

УП-73

Кислотостойкое 7-А
2,58

2,58

2,46

2,40

2,56



95

93

85

83

74



4,20

4,20

4,20

4,20

2,00



4,8

4,8

4,8

4,8

3.6




          Стекловолокно сохраняет свои, свойства до температур 400-500К, в зависимости от вида стекла, (борные, силикатные); кварцевые волокна устойчивы до 1200К. Т.е. они могут удовлетворять современным требованиям к корабельным виброизоляторам по термостойкости.

          По условиям прочности и стоимости для корабельных виброизоляторов наиболее подходят композиционные материалы со стеклянными волокнами круглого сечения, а также варианты стеклянных волокон в виде кручёных и некручёных нитей, жгутов (ровингов), лент различного переплетения.

          Углеродные волокна обладают комплексом ценных, а по ряду параметров уникальных, механических и физико-химических свойств. Им присущи высокая термостойкость, низкие коэффициенты трения и термического расширения и др. Они могут иметь сильно развитую поверхность (1000-2000 м2/кг). Углеродные волокна делятся на карбонизированные (температура термообработки 1173-1273К, содержание углерода 80-90%) и графитизированные (температура термообработки 3273К, содержание углерода свыше 99%). Углеродные волокна, применяемые для армирования композиционных материалов, условно делятся на две группы: высокомодульные (Е=300-700ГПа) и высокопрочные (Е=200-250ГПа). Механические свойства высокомодульных и высокопрочных углеродных волокон приведены в таблице 2.

Таблица 2
Механические свойства высокомодульных волокон

 Марка

волокна
 Плотность

 , кг
   
 Диаметр

 , мкм
 Модуль упруго-
сти  , ГПа
 Средняя

прочность
 Предельная

деформация
ВМН-3

ВМН-4

ВЭН-210

ЛУ-2

Урал-15

Урал-24
1,71

1,71

1,71

1,70

1,5-1,6

1,7-1,8
7,0

6,0

9,9

9,9

9,9

9,9
250

270

343

230

70-80

150-200
1,43

2,21

2,0

2,0-2,5

1.5-1,7

1,7-2,0
0,6

0,8

0,4

1,0

2,1

1,1

          Из сравнения данных, приведённых в таблицах 1 и 2, видно, что углеродные волокна по своим механическим характеристикам намного превосходят стекловолокно, но имеют значительно более высокую стоимость.

          Условиям термостойкости углеродные волокна удовлетворяют полностью. Но результирующая термостойкость композитного материала будет определяться в значительной степени термостойкостью связующего материала. В качестве связующего материала в волокнистых композитах применяются различные виды органических смол, которые могут быть разделены на две основные группы: термопласты и термореактивные смолы. Термопласты при изменении температуры размягчаются и затвердевают, а в термореактивных смолах при нагревании происходят необратимые структурные и химические превращения. Каждый из видов характеризуется рядом отличительных особенностей, в соответствии с которыми определяется их целевое назначение.

          Одним из лучших видов связующего для большого числа волокнистых композитов являются эпоксидные смолы. Это объясняется:

          - разнообразием доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов при относительно низкой стоимости, что позволяет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств, удовлетворяя различным требованиям технологии;

          - эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией (проникающей способностью) к большому числу наполнителей, армирующих элементов и подложек;

          - в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяется вода или какие-нибудь летучие вещества, а усадочные явления в этом случае ниже, чем для других смол;

          - отверждённые эпоксидные смолы обладают не только химической стойкостью, но и хорошими электроизоляционными свойствами и достаточной термостойкостью (до 473 К).

          Именно благодаря этим свойствам эпоксидным смолам отдаётся предпочтение при выборе материала пластичной матрицы композита, который в дальнейшем будет использоваться в качестве конструкционного материала.

          Дополнительная тепловая защита упругих композитных элементов амортизаторов может быть обеспечена конструктивными элементами и различными покрытиями, вспенивающимися при высоких температурах и предохраняющих упругие элементы. Обобщение свойств композитов, получаемых намоткой волокном, как и любых других типов армированных материалов, осложняется рядом следующих факторов:

          - применяемые в настоящее время виды армирующих материалов и композиций смол, ещё недостаточно исследованы, каждый из них требует специальной оценки;

          - большое влияние на свойства материала оказывает точное соблюдение параметров технологического процесса, таких как постоянство соотношения долей волокна и смолы, захват воздуха, степень уплотнения и отверждения, а также явная зависимость свойств изделия от качества изготовления;

          - широкий разброс результатов испытаний, характерный вообще для слоистых пластиков;

          - различный подход к оценке свойств поставщиками материалов для различных целей, приводящий к несопоставимым результатам;

          - влияние особенностей структуры композита, таких как угол намотки волокна, последовательность слоёв и торцевые крышки;

          - возможность ухудшения отдельных свойств в результате оптимизации конструкции изделий, которые должны обладать специфическими механическими, химическими или электрическими свойствами.

          Таким образом, рассмотрению подлежат только основные механические свойства, необходимые для анализа пригодности материалов, а также некоторые теоретически полученные значения.

          На рис. 1-4 /3/, представлены данные, которые показывают, в каких широких пределах могут меняться механические свойства слоистых пластиков в зависимости от ряда факторов.

          На рис. 1 приведены теоретические кривые и экспериментальные точки зависимости модуля упругости при растяжении Е от объёмного содержания смолы (связующей матрицы)  в двух слоистых пластиках А и Б, полученных с использованием одного и того же стекловолокна и различных смол. Видно, что модули упругости в обоих случаях (нагрузка прикладывается вдоль и поперёк волокон) изменяются от 70 ГПа (чистое стекловолокно) до 7 ГПа (связующая матрица без стекловолокна), т.е. в 10 раз.

          Из данных рис. 2 видно, что модуль упругости при растяжении Е также сильно зависит от угла намотки стекловолокна. При изменении угла намотки между соседними слоями от 0° до 90° модуль упругости изменяется более, чем в 4 раза (от 10 ГПа до 42 ГПа).

          Модуль упругости при сдвиге G (рис. 3) увеличивается от 3 до 12 ГПа при изменении угла намотки стекловолокна a от 0° до 45°, а при дальнейшем увеличении угла намотки a до 90° вновь падает до начального значения.

          Коэффициент Пуассона, характеризующий отношение относительной поперечной деформации образца к его относительной продольной деформации, также сильно зависит (рис. 4) от угла намотки стекловолокна. При изменении a от 0° до 90° он может меняться от 0,05 до 0,7 (в 14 раз!) и имеет максимум при угле a = 60°.

          Метод намотки волокном считается в настоящее время наиболее распространенным и универсальным способом изготовления армированных пластмасс. Эпоксидные и полиэфирные смолы и стекловолокно — главные составные части армированных материалов, имеющих относительно низкую стоимость. Вместе с тем отмечается растущее применение углеродного и арамидного волокон для изделий, работающих в ответственных условиях эксплуатации, несмотря на их достаточно высокую стоимость. В качестве связующего в этом случае наиболее пригодна эпоксидная смола. Исследуется технология прямого прессования намотанного слоями волокна. Что резко ускоряет процесс получения изделий и повышает их качество. Эти методы формования могут обеспечить уникальные возможности получения конструкционных материалов для изделий, к которым предъявляются повышенные требования.

          Таким образом, из широкого ассортимента армирующих и связующих компонентов композиционных материалов для конструкционного материала упругих элементов корабельных виброизоляторов целесообразно в качестве армирующих волокон выбрать стеклянные или углеродные (для высокотемпературных условий работы) волокна, а в качестве связующей матрицы — эпоксидную смол, учитывая ее доступность и дешевизну.


          СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

          1. Фролов К. В. Вибрация и современные композиты. – Проблемы машиностроения и надёжности машин. – 1990, №3.

          2. Васильев А.А, Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: справочник — М.: Машиностроение, 1990.

          3. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов, т.1, 1974; т.2, 1975. Пермское книжн. изд-во.

          4. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Любина Дж. — М: Машиностроение, 1988.

Рис. 1.
 Зависимость модуля упругости Е при растяжении от объемного содержания смолы
(матрицы)  в слоистом пластике с однонаправленной ориентацией волокон
 Св-стекловолокно; См -смола; Э- экспериментальные данные;
Е1-вдоль волокон; Е2-поперек волокон. Стекловолокно: Модуль
упругости при растяжении Ев=105 ГПа, Модуль упругости при
сдвиге GB=43 ГПа, Коэффициент Пуассона  . Смола А:
ЕМ=4,29 ГПа; GM= 1,67 ГПа;  0,284
Смола Б: ЕМ=5,41 ГПа; GM= 1,96 ГПа;  0,380
 
Рис. 2.
 Зависимость модуля упругости при растяжении Е от угла намотки слоя
при приложении нагрузки по окружности
 1 - теоретическая кривая для объемного
содержания смолы 43%;
2 - экспериментальные точки.

Рис. 3
Зависимость модуля упругости при сдвиге
Gсд от угла намотки слоя a при кручении

1 - теоретическая кривая для объемного
содержания смолы 43%;
2 - экспериментальные точки.

 

 

Рис. 4
Зависимость коэффициента Пуассона n от угла
намотки слоя a при кольцевом растяжении


1 - теоретическая кривая для объемного
содержания смолы 43%;
2 - экспериментальные точки.




 
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить