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 
:
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/м |
Модуль упругости Е, ГПа |
Средняя проч-ность на базе 10 мм  , ГПа |
Предельная деформа-ция  , % |
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 м
/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
|
Диаметр
|
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.
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; Е 1-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;
Рис.1. |
Зависимость модуля упругости при растяжении Е от угла намотки слоя  при приложении нагрузки по
окружности |
|
|
Рис. 2. |
|
Зависимость модуля упругости при сдвиге Gсд от угла намотки слоя a при кручении
Рис. 3 |
Зависимость коэффициента Пуассона n от угла намотки слоя a при кольцевом растяжении
Рис. 4. |
.
Только подписка гарантирует Вам оперативное получение информации о новинках данного раздела
Нужное: Услуги нянь Коллекционные куклы Уборка, мытье окон
,кг
, мкм
0,380
