Технологическое обеспечение качества процессов формования деталей из полимерных композиционных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ 
ФОРМОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ 
ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 678.5.002.6(075) 
ББК 35.71я7 
Т38 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Э. Р. Галимов 
канд. техн. наук А. Р. Ахметов 
Авторы: Г. В. Малышева, Т. А. Гузева, И. А. Загидуллина, 
Н. Е. Темникова, О. В. Стоянов 
Т38 Технологическое обеспечение качества процессов формования деталей из 
полимерных композиционных материалов : учебное пособие / Г. В. Малышева, Т. А. Гузева, И. А. Загидуллина [и др.]; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ
, 2023. – 108 с. 
ISBN 978-5-7882-3424-3 
Рассматривается комплекс вопросов, связанных с технологическим обеспечением качества формования деталей из полимерных композиционных материалов. Приводятся основные характеристики используемых материалов на этапах 
пропитки и отверждения. Анализируется влияние свойств материалов и технологии формования композитов на величину остаточных напряжений, пористость, 
усадку и адгезионную прочность. Отдельное внимание уделяется проблемам релаксации напряжений. Подробно описываются методы принятия технологических 
решений.  
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 
22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» и 18.03.01 «Химическая 
технология», изучающих дисциплины «Основы физикохимии и технологии композитов», «Основы научных исследований». 
Подготовлено на кафедре технологии пластических масс. 
УДК 678.5.002.6(075) 
ББК 35.71я7 
ISBN 978-5-7882-3424-3 
© Малышева Г. В., Гузева Т. А., Загидуллина И. А., 
Темникова Н. Е., Стоянов О. В., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 

С О Д Е Р Ж А Н И Е
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 4 
1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
.............................................. 5 
1.1. Общая постановка задачи идентификации технологических 
процессов ..................................................................................................................................... 5 
1.2. Схемы взаимодействия технологического процесса как объекта 
исследования с внешней средой 
........................................................................................ 8 
1.3. Методы принятия технологических решений ..................................................... 
16 
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ
ФОРМОВАНИЯ 
.............................................................................................................................. 
19 
2.1. Смачивание, растекание, пропитка 
.......................................................................... 
19 
2.2. Адгезия и адгезионная прочность 
............................................................................ 
48 
2.3. Остаточные напряжения 
............................................................................................... 
55 
2.4. Релаксация напряжений 
............................................................................................... 
78 
2.5. Усадка 
................................................................................................................................... 
87 
2.6. Пористость 
.......................................................................................................................... 
91 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................ 100 
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................................... 103 
3 

В В Е Д Е Н И Е
Развитие промышленности тесно связано с индустрией полимерных композиционных материалов (ПКМ). Эти материалы находят применение во многих отраслях, начиная от ракетно-космической техники 
и заканчивая медициной. Благодаря новым полимерным композитам 
происходит развитие целых отраслей, включая строительство. Эффективные системы водо-, электро- и газоснабжения требуют применения 
ПКМ, которые также используются при производстве оконного профиля, строительной арматуры и в других областях. 
Нефтегазодобывающая отрасль является крупнейшим потребителем товаров из ПКМ. Трубопроводы из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности обладают высокими эксплуатационными 
свойствами, что способствует сохранению лидерских позиций отечественной промышленности на зарубежном рынке. 
Медицина также не может обойтись без ПКМ, особенно в области клеточных технологий и генной инженерии. Быстрое развитие аддитивных технологий позволяет изготавливать изделия из ПКМ по индивидуальным заказам, что особенно востребовано в медицине. 
Волоконная технология развивается очень высокими темпами. 
Матричными материалами в ней являются органические волокна, такие 
как полиарилен, а армирующими наполнителями – волокна из углерода 
и карбида кремния. Разработана широкая номенклатура препрегов на 
основе суперконструкционных полимеров, таких как полифениленсульфид, и армирующих высокомодульных волокон. 
Производство ПКМ растёт значительно быстрее, чем производство металлов и различных сплавов. 
Качество деталей из ПКМ зависит от множества факторов, включая свойства исходных материалов, геометрические особенности конструкций, технологии формования, точность методов контроля и диагностики, а также научные проблемы, связанные с особенностями реологического и адгезионного взаимодействия компонентов системы на 
различных масштабных уровнях. Чтобы обеспечить высокое качество 
формования деталей из ПКМ, необходимо решить множество технологических задач, связанных с обеспечением заданной точности и оценкой характеристик долговечности при воздействии различных эксплуатационных нагрузок. 
4 

.  Н АУ Ч Н Ы Е  О С Н О В Ы  Т Е Х Н О Л О Г И Й  
П Р О И З В О Д СТ В А Д Е ТА Л Е Й  И З  П О Л И М Е Р Н Ы Х
К О М П О З И Ц И О Н Н Ы Х  М АТ Е Р И А Л О В  
Научные проблемы, связанные с созданием ПКМ, решаются 
в рамках различных научных дисциплин, таких как химическая физика, 
механика твёрдого тела, материаловедение, технология, производство 
конструкций летательных аппаратов и изделий ракетно-космической 
техники. 
Разработка научно обоснованных технологических решений для 
производства деталей из ПКМ включает в себя анализ, синтез и обоснование предлагаемых решений. 
1.1. Общая постановка задачи идентификации 
технологических процессов 
Термин «идентификация» (от лат. identifico – отождествлять) обозначает процесс установления тождественности неизвестного параметра известному на основании совпадения конкретных признаков. 
Идентификацию проводят на каждом этапе проектирования и последующего принятия конструкторско-технологических решений. 
Основные отличия и сложности при идентификации конструкторско-технологических решений на этапе проектирования изделия из 
ПКМ заключаются в следующем: 
– сложные взаимосвязи между конструкцией, материалами и технологией, что увеличивает размерность задач; 
– большой объём знаний, связанных с идентификацией входных
и выходных параметров при выполнении конкретных технологических 
операций, который обычно представляется в описательной форме, что 
затрудняет разработку адекватных математических моделей и снижает 
точность моделирования; 
5 

– необходимость одновременной разработки аналитических, проектных, прогностических и управляющих решений для каждой технологической операции. 
Например, при разработке модели технологического процесса (ТП) 
формования детали по технологии вакуумной инфузии необходимо учитывать множество факторов, таких как закономерности изменения вязкости и кинетики процесса пропитки от времени и температуры, жизнеспособность связующего от времени и температуры, давление внутри 
вакуумного мешка от кинетики процесса пропитки, кинетика пропитки 
от структуры армирующего наполнителя и кривизны поверхности 
оснастки, на которую он выложен, и др. Учесть все эти связи в одной 
модели невозможно, поэтому при идентификации технологических 
процессов используются простые модели, отражающие одно или несколько основных свойств исследуемого объекта. Разумное сокращение 
пространства поиска позволяет исключить заведомо неоптимальные решения и разделить решаемую задачу по уровням глубины. 
Математические методы и вычислительные алгоритмы постоянно совершенствуются, что позволяет повышать их точность. Разработка математических моделей даже самых простых технологических 
процессов относится к трудноформализуемым задачам, требующим 
применения итерационного подхода. Суть этого подхода заключается 
в последовательном переходе от известных принципов построения технологического процесса (его отдельной технологической операции или 
перехода) к новым и далее – от новых к качественно новым. 
Итерационная система проектирования ТП будет успешной, если 
в качестве основы её функционирования будет использована система 
принципов и методов обеспечения качественно новых технологических 
решений, что в значительной степени связано с применением новых типов ПКМ. 
В диссертации Н. И. Бауровой предложена общая модель итерационного процесса проектирования технологического процесса, особенность которой заключается в подразделении решаемой задачи на несколько уровней (рис. 1.1). Общая схема поиска оптимального технологического решения включает постановку задачи идентификации, её 
уточнение, оптимизацию и экспериментальные исследования. Уровни 
абстракции зависят от используемых математических моделей, 
а уровни представлений – от используемых методов анализа. 
6 

Рис. 1.1. Общая модель итерационного процесса проектирования 
технологического процесса 
Общая структурная схема моделирования представлена на 
рис. 1.2. Первым этапом является структурная идентификация, которая 
заключается в выборе математической модели. Затем эта модель уточняется, например, методами регрессионного анализа, после чего наступает следующий этап – параметрическое моделирование. При разработке модели важно, чтобы она была адекватной, т. е. качественно и количественно описывала весь комплекс физико-химических явлений, 
происходящих в ходе технологического процесса. Выбор адекватной 
математической модели, даже при описании системы изменения 
свойств материала в процессе технологического процесса, является 
7 

сложной задачей. В ходе любого технологического процесса изменяются геометрические размеры, что влияет на размерные цепи детали 
и далее всех сборочных единиц. Представленная на рис. 1.2 структурная схема может быть изменена в зависимости от поставленной задачи. 
Рис. 1.2. Структурная схема основных этапов моделирования 
Методы структурной и параметрической идентификации технологических процессов являются универсальными, так как позволяют 
рассматривать ТП с любой степенью детализации. 
1.2. Схемы взаимодействия технологического 
процесса как объекта исследования с внешней средой
Любой технологический процесс производства деталей из ПКМ 
удобно представить в виде «чёрного ящика», в котором происходит 
преобразование входных сигналов в выходные. Все возможные варианты соотношения входных и выходных величин можно представить 
8 

в виде четырёх схем (рис. 1.3а–г), которые отличаются количеством 
показателей: 
1. Одномерно-одномерная схема (рис. 1.3а) характеризуется воздействием одного фактора на объект исследования и оценкой его 
свойств по одному показателю. Примером такой схемы является техпроцесс формования детали из углепластика по технологии вакуумной 
инфузии на операции пропитки, где в качестве входной величины рассматривается вязкость связующего, а в качестве выходной – продолжительность процесса пропитки. 
2. Многомерно-одномерная схема (рис. 1.3б) предполагает воздействие нескольких факторов на объект и оценку его свойств по одному показателю. Примером такой схемы является техпроцесс формования детали из углепластика на операции пропитки, где в качестве 
входных переменных рассматривается коэффициент проницаемости 
ткань–связующее, который зависит не только от вязкости, но и от пористости ткани. 
3. Одномерно-многомерная схема (рис. 1.3в) характеризуется воздействием одного фактора на объект и оценкой его свойств по нескольким показателям. Примером такой схемы является технология вакуумной инфузии на операции отверждения, где в качестве входной величины рассматривается кинетика процесса нагрева, а в качестве выходных – пористость, градиент температур по толщине образца и величина 
остаточных напряжений. 
4. Многомерно-многомерная схема (рис. 1.3г) предполагает воздействие нескольких факторов на объект и оценку его свойств по нескольким показателям. Примером такой схемы является технология вакуумной инфузии на операции отверждения крупногабаритной конструкции, изготовленной из гибридных материалов, где в качестве входных величин учитываются не только кинетика процесса нагрева, но 
и геометрические размеры формуемой конструкции, различия в теплофизических свойствах материалов. 
Между входными и выходными параметрами, даже в случае простейших одномерно-одномерных схем, существует множество неизвестных передаточных отношений. Для их описания используется термин «связь», который представляет собой совокупность связанных явлений самого различного физического содержания. В реальном технологическом процессе, даже относительно простом, имеется множество 
связей, и задача разработчика – определить, какие из них являются важнейшими, а какими можно пренебречь. 
9 

Рис. 1.3. Варианты представления технологического процесса в виде 
«черного ящика» для разомкнутых (а–г) и замкнутых (д–з) систем 
при одном входном (а, в, д, е, з), одном выходном (а, б, д, е, ж) 
и нескольких (б–г, ж, з) входных и выходных параметров 
10