Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ



Г.С. ГОЁОВКШ B.n. QMUTPEMO

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
монография




znanium.com электронно-библиотечная система
Москва
ИНФРА-М


2024

УДК 620(075.4)
ББК 30-3
      Г61





ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

          Головкин Г.С.
Г61 Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов : монография / Г.С. Головкин, В.П. Дмитренко. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 471 с. — (Научная мысль).
          ISBN 978-5-16-010757-8 (print)
          ISBN 978-5-16-102764-6 (online)
          В монографии обобщен накопленный опыт и проведен анализ достигнутого в различных отраслях отечественной и зарубежной промышленности, определены эффективные направления для дальнейшего поиска и исследования в области материаловедения и технологии производства изделий из термопластичных композиционных материалов.
          Книга рассчитана на специалистов во всех областях техники и технологии, связанных с разработкой, совершенствованием и переработкой в изделия ТКМ, и полезна для аспирантов и студентов, обучающихся по направлениям 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 18.03.01 «Химическая технология» и по другим родственным направлениям подготовки дипломированных специалистов.
УДК 620(075.4)
ББК 30-3








ISBN 978-5-16-010757-8 (print)
ISBN 978-5-16-102764-6 (online) © Головкин Г.С., Дмитренко В.П., 2005, 2016
Подписано в печать 30.10.2023.
Формат 60x90/16. Печать цифровая. Бумага офсетная.
Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 29,5.
ППТ12. Заказ № 00000
ТК 341500-2123840-250915
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

     СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ                        
АН   --- армированная нить                             
АП   --- армированный пластик                          
АР   --- армированные реактопласты                     
АФ   --- армирующая филамента                          
ДРПФ --- двунаправленный регулярный полуфабрикат       
КМ   --- композиционный материал                       
мм   --- молекулярная масса                            
мн   --- матричная нить                                
МО   --- матричная нить основы ткани                   
МУ   --- матричная нить утка ткани                     
НПФ  --- нерегулярный полуфабрикат                     
оп   --- органопластик                                 
ОРПФ --- однонаправленный регулярный полуфабрикат      
ПА   --- полиамид                                      
ПАВ  --- поверхностно-активные вещества                
ПАН  --- полиакрилонитрил                              
ПАОВ --- предельно армированные органоволокниты        
ПБТФ --- полибутилентерефталат                         
ПВС  --- поливиниловый спирт                           
ПВХ  --- поливинилхлорид                               
ПИ   --- полиимид                                      
ПКА  --- поликапроамид                                 
ПКМ  --- полимерный композиционный материал            
ПМ   --- полимерные материалы                          
пп   --- полипропилен                                  
ПСу  --- полисульфон                                   
ПФ   --- полуфабрикат                                  
ПФО  --- полифениленоксид                              
ПФСу --- полифениленсульфид                            
ПЭ   --- полиэтилен                                    
ПЭТФ --- полиэтилентерефталат                          
пээк --- полиэфирэфиркетон                             
РПФ  --- регулярный полуфабрикат                       
св   --- синтетические волокна                         
ТКЛР --- температурный коэффициент линейного расширения
ткм  --- термопластичный композиционный материал       
УВ   --- углеродное волокно                            

3

   СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

dₐ        — диаметр АФ
dᵤ         — диаметр МН в НПФ
           — диаметр МН по основе
dму      — диаметр МН по утку
dH      — условный диаметр АН
Uд        — энергия активации процесса деструкции
             связующего
UT        — энергия активации вязкого течения связующего
Т         —   температура
Ратл₁     — атмосферное давление
Лак       —   давление вакуумирования
(ра       —   массовая доля армирующей фазы
п         —    число нитей на базу
(Ув и сгл/ — разрушающие напряжения волокон и матрицы
£в и 8м — относительные удлинения при разрыве
Ка        —   коэффициент реализации прочности
tₙₚ       —   время пропитки
tH        —   время нагрева
Рупл      — потери давления, расходуемые
на упругую деформацию пакета
Ра’ Рм — физическая плотность материала АФ и МН
<р        — относительное массовое содержание АФ

4

  гэкв     — средний эквивалентный радиус пор
  Нпак      — толщина пакета
  h₎ти    — относительная толщина пакета заготовки
  Та       — линейная плотность АН, текс
  ра        — плотность материала АФ
  Р         — давление формования (формующее давление)
  Рк      — капиллярное давление
  PQ       — начальное давление уплотнения
  а        — коэффициент линейного термического
               расширения
  k          — коэффициент проницаемости
  К          — крутка АН
  рпов      — поверхностная плотность ПФ
  г]        — коэффициент динамической вязкости
               матричного расплава
  т         — пористость
  I         — глубина пропитки наполнителя
  Vₐ        — степень наполнения

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Передовая современная техника характеризуется во всем мире постоянным ростом объемов использования полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих разработчикам достигать более совершенных технических и экономических характеристик. К началу 3-го тысячелетия наиболее ускоренными темпами стали развиваться ПКМ на термопластичной основе (стекло-, угле- и органотермопластичные «композиты»), которые к комплексу выдающихся конструкционных свойств добавили прогрессивные технологические возможности — неограниченную жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, сокращенный цикл формования, расширение номенклатуры способов переработки в изделия, возможность осуществления сварочной сборки узлов и агрегатов, а также возможность рентабельной утилизации и вторпереработки отходов производства и выработавших ресурс изделий.
   Однако разработка новых составов термопластичных композиционных материалов (ТКМ) с эксплуатационно заданными свойствами продолжает в основном базироваться на методе «проб и ошибок». Отсутствие обобщенных и систематизированных основ проектирования «конструкций» ТКМ и технологических процессов их реализации, обеспечивающих необходимые показатели свойств, существенно сдерживает темпы развития этого прогрессивного вида ПКМ. Подтверждение может служить состояние разработки ТКМ в США, где интенсивные исследования начались с 1980-х годов, но в настоящее время, например, самолетостроение смогло получить рекомендации на использование

6

лишь двух вариантов ТКМ — на основе полифениленсульфида Фортрон и полиэфиримида, отличающихся исключительно высокой теплостойкостью, прочностью и огнестойкостью.
   Неудовлетворительное положение дел в области разработки и производства изделий из ТКМ явилось основным стимулом для написания данной монографии. При этом авторы исходили из личного опыта разработки ТКМ и рациональных способов их переработки в изделия различного назначения от авиационнокосмического до протезно-медицинского, который был накоплен в результате совместной работы с коллективами сотрудников МАТИ, ВИАМ, НИАТ, НПО «Композит», НПО «Технология», НПО «Графит», лаборатории КМ РАН и ряда других организаций, начиная с 1970-х годов.
   Практическая реализация монографии стала возможной благодаря Федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России на 2002—2006 годы» (грант Ц3036/2260 от 26.09.03 г.).
   В техническом обеспечении подготовки монографии активное участие приняли доц., к.т.н. Булычев С.Н. и доц., к.т.н. Горбачев С.И., которым авторы выражают свою глубокую признательность. Искреннюю благодарность за полезные замечания и ценные советы авторы также выражают рецензентам проф., д.т.н. Гончаренко В.А., проф., д.т.н. Перову Б.В., проф., д.т.н. Ковалеву И.Е. — видным деятелям отечественной научной школы ПКМ.
   Книга рассчитана на специалистов во всех областях техники и технологии, связанных с разработкой, совершенствованием и переработкой в изделия ТКМ и полезна для аспирантов и студентов, обучающихся по направлениям 651700 «Материаловедение, технология материалов и покрытий», 655100 «Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов» и по другим родственным направлениям подготовки дипломированных специалистов.

Авторы


7

ВВЕДЕНИЕ


   Одним из важнейших достижений материаловедения второй половины XX столетия явилась разработка принципов построения и получения композиционных материалов (КМ), прежде всего, на полимерной основе (ПКМ). Установлено, что их конструкционные возможности чрезвычайно широки благодаря неисчерпаемой вариабельности составов и структур. Диапазоны физико-механических характеристик нередко измеряются несколькими порядками величин, а сами характеристики, например, при испытаниях на растяжение, достигают по прочности 1,0 ГПа, по модулю упругости 1000 ГПа, при ударном нагружении — показателя вязкости разрушения до 700 кДж/м², в то время как область рабочих температур может простираться от -270 °C до +400 °C [1—3].
   Достигнутые показатели свойств ПКМ явились следствием постоянно растущих требований со стороны современной техники и технологии. Вместе с тем, новые материалы предопределили появление принципиально иных конструктивных и функциональных решений с более совершенными тактикотехническими параметрами, с высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, а также с пониженными показателями материальных, трудовых и энергетических затрат в производстве техники.
   Все эти стимулы обусловливают изменение спроса на ПКМ во всех областях применения конструкционных материалов (см. табл.).


8

Таблица
Хронология изменения мировой структуры потребления конструкционных материалов в % [4]

           Статистические данные по годам:     
Материалы  1980 1990  2000   2010      2020   
                           (прогноз) (прогноз)
Металлы     70   57   44      35        25    
Пластмассы 14    18   22      25        32    
ПКМ         6    12   14   17           18    
Керамика   10    13   20      23        25    

   Так, если к 1980 г., когда доминировали металлические материалы (70 %), ПКМ могли удовлетворить всего лишь 6 % потребностей техники, то в настоящее время их доля возросла более чем вдвое, а в ближайшие годы увеличение прогнозируется еще в три раза.
   Перспективными потребителями ПКМ являются автомобилестроение, трубопроводный транспорт, гражданское строительство, судостроение, производство медицинского оснащения и спортивного инвентаря [4—6]. Однако до настоящего времени основными потребителями не только ПКМ, но и углерод-углеродных (УУКМ), металлических (МКМ) и керамических КМ продолжают оставаться ракетостроение и авиакосмическое производство [6—9].
   Уровень применения КМ в % от массы конструкции ракетной, авиационной и космической техники, характеризуется [9] следующими показателями:

космические аппараты         15-20
стратегические ракеты с РДТТ 75-80
крупногабаритные РДТТ        85-90
стратегические ракеты с ЖРД  25-30
боевые вертолеты             45-55
боевые самолеты              25-30
транспортные самолеты        15-25
пассажирские самолеты        15-25

9

   Как следует из этих данных, доля КМ в общей массе конструкции летательных аппаратов, предъявляющих к конструкционным материалам наиболее высокие требования, уже может достигать 90 %.
   Анализ недолгой истории становления и развития нового вида конструкционных материалов показывает, что термин «композиционные материалы» (КМ), привнесенный в отечественную научно-техническую литературу переводными изданиями, с самого начала соотносился с волокнонаполненными полимерами и металлами [6, 10—13]. Позже были предприняты попытки распространить этот термин и на другие виды материалов, трактуя композиционность как многокомпо-нентность [14, 15]. Однако такое расширенное трактование вступило в противоречие с первоначальным определением понятия КМ, в частности, не выдерживалось требование к достигаемым комплексам свойств, которые не должны быть присущи ни одному из компонентов КМ в отдельности.
   Согласно этому требованию называться КМ могут даже не все волокнонаполненные материалы, поскольку фиксировать новые комплексы свойств удается только при соблюдении двух основных условий — при достижении некоторого минимального объема наполнения волокнами и при их длине больше критической величины, обеспечивающей при разрушении КМ разрыв, а не выдергивание волокон [11, 16—19]. Таким образом, в отличие от обычных многокомпонентных материалов, в которых упрочняющую роль играет матрица, основной вклад в прочность КМ вносит каркас из волокон. Именно эта силовая роль волокон в составе КМ дала впоследствии основание называть их армирующими, а соответствующие, например, ПКМ — армированными пластиками [3, 12, 16]. Такая трактовка понятия КМ принята и в рамках данной монографии.
   Роль матрицы первоначально ограничивалась в КМ лишь передачей армирующим волокнам внешних напряжений и сохранением заданной формы конструкции изделия [10, 11, 16]. Однако по мере расширения номенклатуры матричных

10