Углекомпозиты и их применение (кроме летательной техники (самолеты, вертолеты и т.д.))

Углекомпозиты и их применение
Оглавление
Введение
1.Получение углеродного волокна
2. Композиционные материалы с углеродной матрицей, их структура и свойства
3. Применение углекомпозитов
Заключение
Список литературы

Углекомпозиты и их применение (кроме летательной техники (самолеты, вертолеты и т.д.))

2. Композиционные материалы с углеродной матрицей, их структура и свойстваКомпозиционные материалы с углеродной матрицей имеют две особенности: 1) армирующий компонент (волокна) и матрица состоят из одного и того же материала – углерода; 2) армирующий компонент, т.е. волокна углерода, располагаются во всевозможных направлениях, т.е. наблюдается пространственное армирование. Пространственное армирование резко повышает сопротивление этих материалов к действию нестационарных температурных напряжений на их прочность. Это пространственно-армированные материалы на основе углеродной матрицы - углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ).Сущность процесса изготовления композиционных материалов класса углерод-углерод состоит в создании армирующего каркаса, введении в каркас матрицы с последующим уплотнением, карбонизацией и графитизацией. Первый технологический этап включает выбор схемы армирования и создания армирующего каркаса. Для получения высоких механических свойств композиционного материала применяют высокопрочные и высокомодульные волокна из графитовых нитей.УУКМ обладает целым рядом ценных, часто уникальных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью (в инертной среде они сохраняют свои высокие удельные физико-механические свойства вплоть до 2500 К и работают при повышенных температурах), хорошей стойкостью к термоудару (как тугоплавкие материалы), низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности, высокой стойкостью к химическим реагентам (это свойство делает их весьма перспективными для использования в конструкциях химического машиностроения, атомной энергетике и др.).Свойства углерод-углеродных композиционных материалов, как и других волокнистых композитов, принципиально зависят от расположения (ориентации) волокнистых армирующих элементов (арматуры). Поэтому выбор типа и схемы армирования является одним из основных при разработке деталей различного назначения. В связи с этим целесообразно классифицировать известные и перспективные типы армирующих элементов в первую очередь по геометрическому принципу. Рис. 1. Принципиальные схемы расположения волокон в УУКМ (структуры): а — хаотическая; б — слоистая; в — розеточная; г - ортогональная ЗД; д — 4Д; е — 4Д-Л; ж — 5Д-Л; з - 5Д ; и — аксиально-радиально-окружная;к - аксиально-спиральная; л — радиально-спиральная; м - аксиально-радиально-спиральнаяИз возможных схем армирования можно выделить три класса:1) с хаотическим расположением волокон (фетры и войлоки) (рис. 1, а):2) с ориентированными в двух направлениях волокнами и тканями (2Д армированные):3) с ориентированными в трех (и более) направлениях волокнами (схема армирования ЗД, 4Д и т.д.). т.е. с пространственным расположением волокон (рис. 1, г, д, е, ж, з, и, к, л, м).Первоначально созданные углерод-углеродные композиционные материалы основывались на двухнаправленном армировании. Они обладали лучшей прочностью в плоскостях армирования по сравнению с монолитным поликристаллическим графитом, но уступали по прочности, нормальной к плоскости армирования. Переход к пространственно-армированным материалам устраняет эту проблему.Схемы армирования УУКМ записываются (обозначаются ) цифрой и буквой Д. например ЗД, 4Д, 6Д, 7Д, 1 ОД, 11 Д. Буква Д происходит от английского слова dimesional. что в переводе означает направление, а цифра перед буквой Д означает число направлений. Принципиальные схемы расположения волокон в УУКМ представлены на рис. 1.Наиболее перспективным видом армирования углерод-углеродных композитов конструкционного назначения является многонаправленное, пространственное армирование. когда армирующие компоненты располагаются в трех, четырех и более направлениях. Такие образования называют пространственными армирующими структурами (сокращенно записывают - ПАС), а составляющие их компоненты - элементами пространственных армирующих структур (ЭПАС).Методы изготовления ПАС различны, среди них - ткачество сухих нитей, прошивка тканей, сбор жестких пучков (из нитей), изготовленных методом пультрузии, намотка нитью, а также комбинация этих методов. Для изготовления ПАС используют углеродные нити малого диаметра с плотной их укладкой, что обеспечивает получение малых пустот с высокой плотности каркаса.Существуют прямолинейные ПАС, которые создаются из прямолинейных ЭПАС. и криволинейные ПАС, которые создаются из криволинейных ЭПАС.Основным структурным элементом ПАС из прямолинейных ЭПАС является параллелепипед, у которого три ребра, шесть диагоналей, шесть граней, четыре длинные внутренние диагонали образуют тринадцать направлений. Если параллепипед является кубом, то. комбинируя направления трех подгрупп. можно образовать уравновешенные (сбалансированные) системы. Всего существует семь хорошо сбалансированных структур укладки волокон (схем армирования), изотропия которых растет с увеличением числа направлений: структура ЗД; 4Д; 6Д; 7Д (4+3); 9Д (6+3); 10Д (6+4); 13Д (6+4+3). Кроме того, имеются еще модификации: основного ортогонального ЗД - плетения - это структуры 4Д-Л, 5Д-Л и 4Д-плетения - это структура 5Д. Рис. 2 - Типичная схема укладки волокон малого диаметра в ортогонально-армированном с целью получения высокой плотности каркасаРис.3. Четырехнаправленная схема армирования и расположение системы координат (x.y.z-главные оси -направление армирования)Иногда необходимо иметь высокое объемное содержание арматуры в одном из направлений. Этим условиям удовлетворяют трехнаправленные (3Д), четырехнаправленные (4Д) структуры, а также их модификации (4Д-Л, 5Д-Л, 5Д).Кроме рассмотренных ПАС с индексом Д, собираемых из прямолинейных ЭПАС, промышленность производит армирующие структуры тел вращения (ПАС цилиндрической формы). Армирующие структуры тел вращения основаны на тех же переменных, что и каркасов с прямолинейными волокнами (размер пучка волокон, число волокон в пучке по каждому направлению), но отличаются ориентацией пучков волокон. Так, в случае применения структур с трехнаправленной схемой армирования, получившей наиболее широкое распространение, вместо трех направлений х-y-z фигурируют направления A-R-C, т.е. аксиальное, радиальное и окружное направления. Каркасы цилиндрической формы изготавливаются методом ткачества сухих нитей. Тканые каркасы этого типа показаны на рис. 4. Рис. 4. Расположение нитей в трехнаправленном цилиндрическом переплетении 1-радиальные нити, 2-осевые, 3-окружныеТаким образом, каркас состоит из осевых нитей, расположенных параллельно оси цилиндра: окружных нитей, расположенных по окружности цилиндра и радиальных нитей, расположенных по радиусу цилиндра.Обеспечение постоянной плотности армирования цилиндрических каркасов с увеличением расхождения радиальных нитей при приближении к наружному диаметру достигается за счет увеличения диаметра осевых пучков нитей (рис. 5 а) или за счет введения в основную систему армирования радиальных элементов разной длины (рис. 5 б).Рис. 5. Компенсация осевых и радиальных нитей: а - компенсация осевых нитей от внутреннего к наружному диаметру изменением диаметра осевых нитей, б- компенсация радиальных нитей изменением их длиныИзготавливают такие каркасы на ткацких станках. Возможно создание и других, более сложных структур. Радиальное армирование представляет собой изготовленные подэлементы - материалы из графитовых нитей и фенольных связующих.