Оптимизация и пути реализации армирования углеродных волокон при проектировании и изготовлении углерод-углеродных композиционных материалов

Прохоров В. Ю. ОПТИМИЗАЦИЯ И ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ АРМИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИЗГТОВЛЕНИИ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) несмотря на технологические сложности их получения и относительно высокую стоимость, успешно вытесняют традиционные конструкционные материалы в различных отраслях современной технике: ракетной, авиационной, атомной, машиностроительной, уплотнитель-

ной, в строительстве. Это обусловлено уникальным комплексом физико-механических и химических свойств этих материалов.

В настоящее время существует много видов углеродных волокон (УВ), в основе которых лежат три типа исходных материалов: полиакрилонитрильные волокна (ПАН - В), гидратцеллюлозные волокна (ГЦ - В), а также разнообразные пеки (обыкновенные и мезофазные), богатые углеродом. Структура У В зависит от структуры исходного сырья: а) УВ, полученные из исходного волокна, свойства которых сохраняются в измененной

форме в УВ. Такие волокна анизотропны, они обладают высокой прочностью и модулем упругости; б) УВ на основе пеков и фенольных смол. Они изотропны и, как правело обладают средней прочностью и низким модулем упругости. При выборе УВ в качестве исходного материала для изготовления каркасов необходимо учитывать стойкость при текстильной переработке, высокие механические свойства, а также достигнутый объем производства материала. Были опробованы УВ различных марок: «Кулон», УКН - 300, УКН - 5000, «Урал ТМ-4-22», ВМН-4.

Подробный анализ позволил установить, что наиболее удачное сочетание требуемых свойств имеет волокно УКН - 5000 ГОСТ 28008-88, которое изготавливается на основе полиакрилонитрила (ПАН - В) и проходит длительную технологическую цепочку операций, связанных с нагревом в различных средах, следствием которых является получение более прочной оболочки элементарной нити по сравнению с ее сердцевиной. Этот факт был установлен при анализе кристаллической структуры элементарного волокна. Сердцевина волокна более аморфна по сравнению с оболочкой, упорядочений кристаллизованной. |

Отмеченные особенности строения волокна УКН - 5000 определяют более высокую стойкость боковых поверхностей волокна, что необходимо учитывать при формировании каркасов. Кроме того, такое строение волокна УКН-5000 обеспечило его максимальную стойкость к травмированию при текстильной переработке в каркас, т. к. волокно в процессе изготовления композиционного материала необходимо неоднократно перематывать, скручивать, перегибать, протаскивать через нитетракты и различные устройства намоточного оборудования.

Эти приемы неизбежно приводят к травмируемости наполнителя и нерациональной потере исходных свойств наполнителя. Для предотвращения снижения характеристик, а также для улучшения технологических свойств, углеволокно необходимо дополнительно обрабатывать.

Приемы обработки нитей известны и сводятся к скрутке и нанесению аппретирующих составов. Фабричное волокно при поступлении уже имеет аппрет на своей поверхности (содержание аппрета в углеволокне УКН-5000 - 2...6 %), но его явно недостаточно. Даже при простой перемотке на расходные шпули намоточного оборудования волокно начинает ломаться, «пушиться», истончаться. В связи с этим возникают требования по предохранению волокна от изломов, снижению сопротивления в нитетрактах, увеличению прочности. Для выполнения этих требований, организации действенной защиты волокна и обеспечения минимального уровня травмируемости углеволокна, были произведены поиск и экспериментальное опробование аппретирующего состава.

При выборе аппретов были опробованы растворы следующих веществ различных концентраций: спиртоглице-

риновая смесь, поливиниловый спирт в воде, ацетилцеллюлозы в ацетоне, роливсана МВ - 1 в ацетоне, клея лейкопат, клея БФ - 4 в спиртоацетоновом растворе. Количество нанесенного аппрета контролировалось по изменению массы волокна до и после аппретирования. Как показали исследования, использование одно- и двухпроцентного растворов вышеперечисленных веществ не дает нужных результатов, т. к. образующаяся пленка аппрета тонкая и недостаточна для защиты нитей от травмирования и разрушения. Пяти- восьми процентные (5 - 8 %) растворы ПВС образуют достаточно прочную пленку аппрета, но пленка получается жесткая, не эластичная.

Удовлетворительные результаты получены при использовании в качестве аппретов роливсана МВ-1, ацетилцеллюлозы в ацетоне и клея БФ в спирте. В этом случае пленка аппрета при растяжении, сдвиге и изгибе воспринимает на себя часть нагрузки и работает вместе с углеволокном как единая композиционная система. Окончательно был выбран в качестве аппрета раствор клея БФ-4 в спиртоацетоновой смеси. Этот состав является наименее токсичным и наиболее доступным.

Для обеспечения более полного уровня реализации свойств наполнителя в УУКМ проведена отработка и выбор параметров скрутки исходной нити для компенсации исходного уровня разнодлинности элементарных волокон в нити. Как показали исследования, это достигается при уровне - 80 круток/метр. На рис. 1 приведены результаты определения удельной разрывной нагрузки при разрыве петли из скрученного волокна УКН-5000. Измерения проводились по методике, установленной в ГОСТ 28008-88. Нагрузка приводится к единице линейной плотности нити (текс).

С целью повышения прочности углеволокна УКН-5000 на этапах технологического изготовления каркаса было принято решение скручивать пить УКН - 5000 с нитью СВМ - 29,4, которая деструктирует и карбонизируется при дальнейших термообработках каркаса на стадии насыщения.

Таким образом, углеволокно УКН - 5000, перед применением в качестве исходной нити для изготовления пространственно-армированных углеродных каркасов, проходит следующие технологические стадии подготовки: скрутка волокна УКН - 5000 с нитью СВМ; аппретирование раствором клея БФ - 4 в спиртоацетоновой смеси; намотка бабин нескольких типов.

При разработке и проектировании пространственно-армированных УВ каркасов учитывались: размещение волокон вдоль направлений максимальных действующих нагрузок при работе УУКМ в конструкциях; оптимизация количественного состава УВ по направлениям; возможность механизированного изготовления; получение максимальной плотности каркаса. После анализа возможных и применяемых схем армирования был выбран вариант с осесимметричной пространственно-армированной структурой. Выбор осесимметричной структуры армирования обусловлен следующими факторами: возможностью механизировать процесс изготовления; возможностью полу-

чать деталь с необходимыми физико-механическими, износными и теплофизическими характеристиками за счет варьирования количества нитей по направлениям; расположение волокон соответствует направлениям действия главных напряжений.

20 40 60 80 100 120

Количество круток на 1 м длины

Рис. 1. Прочность скрученной нити УКН-50 0 0при различной скрутке

В дальнейшем испытания деталей с осесимметричной пространственно армированной структурой позволили доказать не только правильность выбора схемы армирования, но и получить ряд дополнительных преимуществ но сравнению с ранее используемыми схемами и технологиями создания УВ каркасов.

Кроме необходимости отработки технологических параметров намотки и дефектности, потребовался поиск оптимального соотношения армирующего наполнителя по направлениям укладки R : Z : 0 (радиальное : осевое : окружное). В качестве критерия оптимизации использовалась величина износа. Разработанный способ изготовления арматуры позволяет варьировать соотношения армирования в довольно широких пределах. Первоначально, на стадии освоения технологии и оборудования, соотношение арматуры соответствовало 2 : 2 : 2,

т. е. в элементарной ячейке имелось равное количество арматуры в радиальном, окружном и осевом направлениях. В дальнейшем, после отработки и модернизации возможности оборудования были доведены до следующих значений: радиальная арматура - 2, 4, 6, 8; осевая арматура - 1, 2, 4; окружная арматура - 1,2.

Были проведены стендовые испытания материала со следующими вариантами соотношения арматуры: R : Z : 0 = 6 : 4 : 2; R : Z : 0 = 4 : 4 : 2; R : Z : 0 = 2 : 2 : 2. В приведенных соотношениях цифрами указано

число нитей в единичном пучке, укладываемом в каждом направлении за один такт операции намотки.

Испытания проводились для различных вариантов армирования материала. Было выявлено, что стойкость нитей радиального армирования ниже наблюдаемой стойкости нитей осевого и окружного армирования.

По результатам анализа деталей из УУКМ после испытаний к дальнейшей отработке был выбран сначала вариант R : Z : 0 = 6 : 4 : 2, а в дальнейшем, после следующего цикла испытаний, выбраны R : Z : 0 = 4 : 4 : 2. Выбранные схемы позволили повысить стойкость материала к износу и обеспечить достаточный уровень прочности конструкции детали.

Разработанная технология позволяют механизированным способом изготавливать трехмерно-армированные каркасы с возможностью программного изменения структурно-геометрических параметров и оптимальным соотношением наполнителя по каждому направлению. При выполнении работы удалось достичь плотности каркаса 0,6 г/см3 , что значительно превосходит плотность стержневых каркасов (0,4 г/см3), применяемых для УУКМ с ортогональной структурой армирующего каркаса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прохоров В. Ю., Дьяконов А. Ю., Костогорова О. Я. Поиск путей реализации прочности углеродных волокон в углерод-углеродных композиционных материалах. Надежность и качество. Труды Международного симпозиума, г. Пенза (ПГУ), 2006 г., с. 82-84