Композитные материалы, на основе кварцевого волокна, применяемые в ракетостроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО ВОЛОКНА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В РАКЕТОСТРОЕНИИ

Припадчев А.Д., д-р техн. наук, профессор,

Горбунов А.А., канд. техн. наук, доцент,

Белов С.В.,

Припадчева Л.В.

Материалы на основе кварцевых волокон ранее обычно рассматривались как термостойкие без предъявления каких-либо особых требований к механическим характеристикам. Однако за последние 20 лет качество волокна значительно повысилось, уменьшилось количество примесей, улучшились механические характеристики, что в целом позволяет рассматривать композиционные материалы на их основе как конструкционные различного назначения, а именно: абляционные, изоляционные, радиопрозрачные, силовые и т.п. Дается анализ различных свойств современных кварцевых волокон и композиционных материалов на их основе с акцентом на механические характеристики [1, 4].

Под термином кварцевое стекло понимается материал в стекловидном состоянии, характеризующийся отсутствием фиксированной точки плавления, Это состояние противоположно состоянию кристаллического кварца. Свойства кварцевого стекла и кварца также существенно различны. Кварцевое стекло получают путем плавления натурального кварца при температуре около 2000 ⁰С. Получаемый продукт является очень чистым и содержит 99,09 % Si0₂, что обеспечивает стеклу ряд специфических свойств, например, высокую прозрачность. Кварц стабилен до 1000°C, а затем под действием некоторых примесей он может перейти в кристаллическое состояние, Основные свойства кварцевого стекла, таблица 1.

Таблица 1 - Свойства кварцевого стекла

Кварцевое стекло никогда не находится в текущем состоянии. Процесс перехода из пастообразного состояния в газообразное происходит при температуре выше 1300°С. При температуре 1800°C процесс перехода в газообразное состояние происходит очень интенсивно. Вязкость убывает пропорционально росту температуры, но все время остается повышенной. Именно эти свойства кварцевого стекла делают его идеальным аблирующим материалом. Кварцевое стекло по всем показателям (тепло- и электроизоляционные свойства, радиопрозрачность, плотность и т.п.) превосходит обычные стекла (Е, R, S) [2].

Кварцевое волокно получают вытяжкой со скоростью от 28 до 40 м/с при температуре 1800°С из расплава чистого кварца. Волокна обладают всеми свойствами стекла, но имеют по сравнению со стеклом, более высокие механические характеристики, Прочность при растяжении, замеряемая на одном волокне, зависит от многих параметров, чем объясняется различие в значениях предела прочности, встречаемых в литературе. Теоретическое значение предела прочности при растяжении находится в диапазоне от 2500 до 30000 МПа. На практике это значение предела прочности не достигается. Основные причины изменения прочности: диаметр волокна (от 8000 до 10000 МПа при диаметре волокна 1 мкм, от 1500 до 3000 МПа при диаметре волокна 9 мкм и от 500 до 1500 МПа при диаметре волокна 30 мкм), длина испытываемого волокна (значение предела прочности удваивается при уменьшении длины волокна от 100 до 5 мм), окружающая среда, особенно влажность (предел прочности удваивается при испытаниях в сухой атмосфере и учетверяется при испытаниях в вакууме при температуре от 600 до 700°C). Влияние окружающей среды происходит из-за наличия поверхностных микротрещин.

Модуль упругости кварцевого волокна меньше зависит от указанных параметров, но, тем не менее -- он изменяется в функции диаметра от 60 000 до 120 000 МПа. Во Франции выпускают волокно диаметром 9 мкм и поставляют его в виде крученых и некрученых жгутов, состоящих из 240 волокон. Предел прочности при растяжении волокна от 1500 до 3000 МПа, модуль упругости 85000 Мпа. B качестве замасливателя используется состав А 1100, обеспечивающий необходимые свойства для дальнейшей переработки волокна (особенно при изготовлении тканей) и хорошую адгезию с полимерными матрицами.

Рассматриваются три вида композиционных материалов:

а) получаемые намоткой жгутов;

б) двух и трехмерные материалы, используемые для теплоизоляции, аблирующих покрытий и силовых конструкций;

в) материалы для теплозащиты.

Для конструкций, изготавливаемых намоткой, в основном применяются некрученые жгуты (ровница), пропитанные фенольной смолой. В некрученых жгутах легко реализуется предел прочности волокна при растяжении 3000 МПа, что примерно выше на 15 % прочности стеклянных волокон R. Однако на образцах больших размеров, таких как кольца NOL выигрыша в прочности по сравнению с композиционным материалом на основе волокон из стекла R не получается, что говорит о проблеме взаимодействия волокно-матрица [3]. Основные характеристики композиционных материалов на основе некрученого жгута представлены в таблице 2.

Двунаправленные композиционные материалы были разработаны специально для цилиндрических аблирующих конструкций. Разработанная структура материала «ирис» характерна тем, что ткань из кварцевых волокон, пропитанная фенольной смолой, укладывается под углом от 10⁰ до 15⁰ по отношению к внешней поверхности цилиндра.

Таблица 2 - Характеристика композиционных материалов на основе некрученого жгута

Полимеризация производится в автоклаве за один цикл при давлении от 1,5 до 3,0 МПа. B этом случае объемное содержание волокна составляет не более 50 %. Предел прочности при растяжении в осевом направлении составляет 400 МПа, а в окружном направлении от 100 до 150 МПа. Основным недостатком двунаправленного композиционного материала является низкая прочность при межслойном сдвиге. Основные характеристики двунаправленных композиционных материалов типа «ирис» представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристики двунаправленных композиционных материалов типа «ирис»

Трехмерные композиционные материалы разработаны с целью повышения прочности при межслойном сдвиге и получаются на основе объемных тканей, либо прострочкой двумерных тканей, либо специальной намоткой. В этом случае пропитка тканого наполнителя должна проводиться под большим давлением, чтобы заполнить все пустоты. Неравномерное распределение волокна в материале и концентрированное скопление связующего в зонах переплетения приводит к снижению прочностных характеристик композиционного материала. В таких материалах реализуется прочность волокна при растяжении 1500 МПа. Основные характеристики трехмерных композиционных материалов на основе фенольного связующего представлены в таблице 4.

Прочность трехмерных композиционных материалов при сжатии равна, по крайней мере, прочности при растяжении.

Несмотря на достаточно хорошие характеристики двумерных композиционных материалов, они все же не могут конкурировать с композиционными материалами углерод-углерод. Их основное применение: как теплоизоляционный материал, способный нести значительные механические нагрузки. В случае использования в радиопрозрачных обтекателях фенольное связующее может быть заменено на кремнийорганическую матрицу, что приведет к некоторому снижению прочностных свойств композиционного материала.

Таблица 4 - Характеристики трехмерных композиционных материалов на основе фенольного связующего

Теплозащитный двунаправленный композиционный материал имеет кремнийорганическую матрицу со специальными жаропрочными добавками и армирующий слой в виде легкой ткани из кварцевого волокна. Материал хорошо формуется при нормальной температуре, но имеет сравнительно низкие прочностные характеристики, что не позволяет использовать его в качестве конструкционного силового материала. Основные характеристики теплозащитного композиционного материла, имеющего обозначение NORCOAT 4011 представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Характеристики композитного материала NORCOAT 4011

Проведенный обзор и анализ характеристик показывают, что хотя кварцевые волокна и имеют более низкую удельную прочность и удельную жесткость по сравнению с такими новыми волокнами, как углеродное, борное и органическое типа Kevlar, все же они позволяют получить сравнительно легкие композиционные материалы, обладающее хорошими теплоизоляционными свойствами и имеющие достаточно высокие механические характеристики в диапазоне температур, когда стеклянные волокна не могут быть использованы. Проводимые в настоящее время во Франции исследования направлены на повышение механических характеристик кварцевых волокон и связываются, в основном, с поверхностной обработкой и замасливанием. Успешное решение этих проблем, очевидно позволит повысить конкурентоспособность кварцевых волокон.

композит кварцевое стекло фенольное связывающее

Список литературы

1. Егер, С. М. Основы автоматизированного проектирования самолётов: учеб. пособие для студентов авиационных специальностей вузов / С.М. Егер, Н.К. Лисейцев, О.С. Самойлович. М.: Машиностроение, 1986. 232 с., ил.

2. Курганова, Ю.А. Конструкционные металломатричные композиционные материалы: учебное пособие / Ю.А. Курганова, А.Г. Колмаков. -- Москва: МГТУ им. Баумана, 2015. -- 141 с. -- ISBN 978-5-7038-4082-5. -- Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. -- URL: https://e.lanbook.com/book/106298 (дата обращения: 13.12.2019). -- Режим доступа: для авториз. пользователей.

3. Мамедов, Г.В. Моделирование полимерных композиционных материалов / Г.В. Мамедов // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. №1. 2014. С. 39-42

4. Припадчев, А.Д. Сборочные процессы элементов летательных аппаратов: учебное пособие / А.Д. Припадчев, А.А. Горбунов; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2017.

Размещено на Allbest.ru