ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Выбор объектов и методов исследований
Область использования, для разрабатываемого «С-С» композита, характеризует-ся
рядом особенностей и свойств. К их числу относятся:
– уровень температур, достигаемых в электротермии составляет 3873К и выше;
– рабочая среда нагревательных камер – пары воды и масла, вакуум, азот,
водород;
– длительность непрерывного технологического цикла, достигает несколько
месяцев;
– величина вакуума в рабочей камере достигает 10-3 Па, а избыточное давление до
107 Па.
Наиболее термонапряженными деталями в электротермии являются нагреватели,
экраны, несущие элементы в виде балок. Преобладающая форма этих деталей –
пластина, цилиндр, конус, швеллер, уголок.
Перечень перечисленных основных требований предполагает к использованию в
композите компонентов с высокой термостойкостью и термопрочностью. Поэтому при
выборе исходных компонентов предпочтение было отдано графитированному (не менее
2473К) волокнистому наполнителю в виде тканей марок УРАЛ-Т22, ТГН-2М, ЭТАН-1.
Дисперсному углеродному наполнителю из графитов (температура графитации не
менее 2873К) марок МПГ-6, ГМЗ, ГЭ.
Для выбора связующего исследовали механические свойства (см. табл. 2.1)
карботекстоволокнитов на обычных и карбонизированных смолах [41 - 49].
Для получения углеродной матрицы предпочтение было отдано фенолформальдегидным
смолам, позволяющим получить стеклоуглерод. Стеклоуглерод этих смол допускает
эксплуатацию при 2773К и выше, а также имеет более высокие по сравнению с
другими смолами прочностные свойства.
Кремнийорганическое связующее дает карбонизированную матрицу с термостойкостью
не более 1473-1523 К, что резко ограничивает область применения композита.
Другие связующие (табл. 2.1) имеют более низкие прочностные свойства, а их
стоимость значительно выше фенолформальдегидных.
Таблица 2.1.
Механические свойства карботекстоволокнитов
на полимерных и карбонизированных связующих
Связующее
Разрушающее напряжение при изгибе, кгс/мм2
Модуль упругости, кгс/мм2
при температуре, К
297
533
756
297
533
756
Фенолоальдегидное
22
9,2
1270
530
13,5
13,0
9,5
1500
1500
1050
Эпоксиноволачное
20
8,3
1250
1020
11,5
11,0
9,5
1430
1430
1360
Кремнийорганическое
7,2
5,8
550
600
13,0
12,2
7,8
1300
1400
870
Полибензимидазольное
8,8
7,2
1270
1220
3,3
3,5
5,7
1500
1500
2000
* п – полимерное, к – карбонизированное
Повышенная пористость «С-С» композита является причиной нестабильности ряда его
свойств и понижает общий ресурс работы деталей.
Поэтому осаждение в порах «С-С» композита пироуглерода (пироуплотнение)
является важной технологической операцией получения материала с высокими
эксплуатационными свойствами. Температура эксплуатации пироуглерода достигает
более 3273К.
Выбор методов исследований должен решать две задачи. Так как изготовление «С-С»
композитов – многостадийный процесс с различными структурными и фазовыми
изменениями исходного состава композита, то первая из них заключалась в
исследовании свойств материала на различных этапах получения.
Вторая задача состояла в объективной оценке свойств готового материала и
строгого разграничения по свойствам различных марок композита, для конкретных
областей его применения. При этом определенные трудности были обусловлены тем,
что практически все методы ранее использовались для изучения свойств «С-С»
композитов, состоящих из двух или трех видов компонентов, в то время как в
гибридном композите введен четвертый компонент со своими структурными
особенностями и свойствами[50-58].
2.2. Объекты исследования
В качестве объектов исследования были выбраны гибридный «С-С» композит марок
УКПМ-1, УКПМ-2, УКПМ-3, УПА-О, УПА-О-Э, армированные наполнителем из тканей и
лент УРАЛ-Т22, ТГН-2М, ЭТАН-1; дисперсный наполнитель графит марок МПГ-6, ГМЗ,
ГЭ; связующее на основе олигомера СФ-010 (СФ-010А); углеродная матрица на
основе стеклоуглерода (кокс фенолформальдегидного полимера) и пироуглерода.
Гибридный углепластик после отверждения, карбонизированный углепластик после
высокотемпературной обработки и пироуплотнения.
2.2.1. Связующее
Новолачная фенолформальдегидная смола СФ-010 (СФ-010А) представляет собой
олигомер линейного строения, получаемый в результате взаимодействия фенола и
формальдегида при соотношении фенол : формальдегид 1:0,78-0,86 в присутствии
кислотных катализаторов. Структурная формула новолачного олигомера СФ-010 ГОСТ
18634-80 [41] приведена на рис. 2.1, а основные характеристики – в табл. 2.2.
Рис. 2.1. Структурная формула новолачного олигомера СФ-010
Таблица 2.2.
Свойства новолачного олигомера СФ-010
Плотность, кг/м3
1220-1270
Температура каплепадения, °°С
95-105
Вязкость 50%-ного спиртового раствора, Н ЧЧ с/м2
0,07-0,16
Содержание свободного фенола, % не более
В обычных новолаках содержится [41]:
– орто-, пара-метиленовых связей – 50-60 %;
– пара-, пара-метиленовых связей – 25-30 %.
В результате взаимодействия новолачного олигомера с уротропином
(гексаметилентетраамином) образуется полимер (резит) с пространственной
структурой (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Структурная формула отвердженного олигомера СФ-010
с уротропином (стадия резита)
Анализ структуры показывает, что [42] фенолформальдегидные полимеры явля-ются
довольно редко сшитыми. Обычно расходуется до 25% функциональных групп,
образующих связи в трехмерной сетке.
Физико-механические свойства полимеров (резитов) из СФ-010 (СФ-010А) приведены
в табл. 2.3.
Таблица 2.3.
Физико-механические свойства полимеров (резитов) из СФ-О10 (СФ-010А)
Модуль упругости при растяжении, Ераст., МПа
(18-21) ґ
- Київ+380960830922