СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5
1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ... 11
1.1. Структура и свойства композиционных материалов............ 11
1.2. Пути получения композиционных материалов.................. 17
1.3. Роль влияния поверхности раздела на механические свойства композиционных материалов......................................... 24
1.4. Основы исследования и управления теплофизическими процес-сами при изготовлении изделий из композиционных материалов методом полимеризации..................................................... 30
Выводы к первой главе.......................................... 40
2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ........................................................ 42
2.1. Теоретические основы исследования надежности композиционных материалов методами теории вероятности и математической статистики............................................................. 42
2.2. Экспериментальные исследования механических свойств композиционных материалов в зависимости от скорости на?рсва и охлаждения............................................................... 52
2.2.1. Исследования композиционных материалов на растяжение ... 53
2.2.2. Исследования межслоевого сдвига композиционного материала............................................................. 63
2.2.3. Исследования на ударную вязкость...................... 70
2.2.4. Исследования композиционных материалов на кручение ... 78
Выводы ко второй главе......................................... 81
2
3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ УПРАВЛЕНИЯ 83 РЕЖИМАМИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ..............................
3.1. Теплофизические явления, происходящие в процессе полимеризации............................................................. 83
3.2. Составление алгоритма изготовления композиционных материалов .............................................................. 89
3.2.1. Факторы, влияющие на процесс полимеризации........... 89
3.2.2. Алгоритм изготовления композиционных материалов 93
3.2.3. Структурная схема управления оптимальными режимами технологического процесса....................................... 97
3.3. Разработка многопозиционного регулятора температуры..... 104
3.4. Разработка функциональной схемы и алгоритма оптимального-управления процессом полимеризации............................... 113
Выводы к третьей главе........................................ 121
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ................................................... 122
4.1. Описание объекта исследования........................... 122
4.2. Описание установки и метода управления при полимеризации 123
4.3. Геометрия узла установки для получения композиционных материалов........................................................... 127
4.4. Моделирование процесса полимеризации лонжерона лопасти вертолета с использованием экспериментальных данных................ 129
4.4.1. Результаты экспериментальных исследований полимеризации композиционного материала................................... 131
4.4.2. Получение передаточных функций, описывающих работу от-
I
дельных блоков устройства и этапов полимеризации................ 143
4.4.3. Расчет передаточной функции корректирующего звена 145
Выводы к четвертой главе..................................... 146
#
: з
I
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 148
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 149
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Описание результатов экспериментальных исследований на прочность склейки, растяжение, межслоевой сдвиг кручение
лонжерона................................................... 162
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Технологический процесс на сборку лонжерона лопасти.......................................................... 177
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Программа управления процессом изготовления
композиционных материалов...................................... 181
)
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Композиционные материалы обладают уникальными упругими и прочностными свойствами, которые превосходят даже некоторые параметры металлических изделий. Это предопределило тот факт, что наибольшие успехи в практическом использовании композиционных материалов достигнуты в аэрокосмической технике (сопловые блоки ракет, носовые конуса), производстве газотурбинных двигателей (лопатки турбин), вертолетостроении. Уже сейчас эти материалы широко применяются в строительстве скоростных автомобилей, корпусов экстремальных яхт и гоночных судов, спортивного инвентаря, стоматологии и т.п. Важнейшими факторами, сдерживающими применение большинства композиционных материалов, являются высокая стоимость и серьезные проблемы технологического характера, затрудняющие высокую степень реализации прочности в деталях. Поэтому основные усилия, исследователей и производственников направлены на совершенствование технологических процессов изготовлсния материалов и изделий из композиционных материалов.
Высокое качество изготовления таких изделий достигается при соблюдении определенных технических и технологических требований. Одним из методов изготовления их служит полимеризация, производимая в установках автоматического ведения технологического процесса (АВТП). Основным элементом их является специальная пресс-форма с электроподогревом. Кроме того, для процесса полимеризации необходим режим равномерного прогрева и удержания температуры на определенном уровне с последующим плавным охлаждением. В связи с этим возникает задача оптимизации процесса полимеризации, учитывая многослойносгь изделия, многостадийность прогрева.
Цель работы - исследование и разработка систем оптимального управления температурными процессами полимеризации и совершенствование технологии получения изделий из многослойных композиционных материалов.
5
Основные задачи исследований:
1. Экспериментальное исследование влияния скорости нагрева и охлаждения на механические свойства многослойных композиционных материалов.
2. Разработка оптимальных алгоритмов и программ и регулятора температуры для управления температурными процессами полимеризации.
3. Разработка рекомендаций для оптимального управления процессом полимеризации в установках АВТП.
Практическая ценность работы заключается в том, что исследованы влияния температуры, времени, скорости прогрева и охлаждения на надежность многослойных композиционных материалов. На основе исследований разработаны оптимальные алгоритмы и программы управления температурными процессами полимеризации в установках АВТП. Разработан многопозиционный регулятор температуры для системы автоматического оптимального управления полимеризацией. Полученные результаты доведены до уровня инженерных методик и используются для совершенствования процессов изготовления-композиционных материалов в Кумертауском авиационном производственном объединении со значительным экономическим эффектом. Экономический эффект создается как за счет сокращения затрат на обработку путем исключения штамповки и резки, гак и за счет сокращения брака при изготовлении деталей.
Научная новизна. В данной работе экспериментально исследованы и выявлены влияния скорости прогрева и охлаждения на надежность композиционных материалов. Разработан новый прибор - многопозиционный регулятор температуры (МРТ) для системы автоматического оптимального управления технологическим процессом полимеризации. Разработаны оптимальные алгоритмы и программы управления теплофизическими процессами на всех этапах изготовления изделий. Разработана система автоматического оптимального управления процессом изготовления композиционных материалов.
6
Достоверность результатов, полученных в ходе исследований, определяется тем, что они получены экспериментально в производственных условиях, проверены в процессе эксплуатации, а также многочисленными сопоставлениями результатов теоретических и экспериментальных исследований, показавшими удовлетворительное согласие теории и эксперимента. Опубликованные ранее в печати теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются с описанными в данной работе исследованиями и могут быть представлены как ее частные случаи.
На защиту выносятся:
1. Влияние скорости прогрева и охлаждения на механические свойства многослойных композиционных материалов.
2. Многопозиционный регулятор температуры для системы автоматического оптимального управления технологическим процессом полимеризации.
3. Разработка оптимальных алгоритмов,и программ управления температурными процессами на всех этапах изготовления изделий из многослойных композиционных материалов методом полимеризации.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской научной конференции «Физика конденсированного состояния» (г. Стерлитамак, 1997 г.); на республиканской научно-практической конференции «Проблемы интеграции науки, образования и производства южного региона Республики Башкортостан» (г. Салават,
2001 г.); на У-ой Российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, 2001 г.); на международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управлений и обработки информации» (г. Уфа, 2001 г.); на научной конференции «Вопросы проектирования информационных и
7
кибернетических систем» (г. Уфа, 1991 г.), на V региональном совещании-семинаре (Уфа, БГПУ, 2005 г.), на V Уральском региональной научно- практической конференции «Современные проблемы физики и физико-математического образования» (Уфа, 2006 г.), а также на научном семинаре кафедры промышленной автоматики Уфимского государственного авиационного технического университета под руководством доктора технических наук профессора Тюкова Н. И. и научных семинарах кафедры общей физики Башкирского государственного педагогического университета под руководством профессоров Фахрстдинова И.А. и Фатыхова М.А. (2003 - 09 гг.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 2 монографии.
Структура и объем работы.
В первой главе диссертационной работы приведены,сведения по теплофизическим основам управления механическими свойствами композиционных материалов. Дан анализ проблем, возникающих при изготовлении композиционных материалов. Подчеркивается роль влияния поверхности раздела на механические свойства их.
Теоретически'исследованы особенности пространственно-временного распределения температуры в композиционном материале. Показано, что распределение температуры в нем неравномерное, что может проявляться в прочностных характеристиках композиционных материалов. Обоснована проблема и поставлены задачи исследований тепломассообмена в установках АВТГЛ при изготовлении многослойных изделий из композиционных материалов методом полимеризации.
Вторая глава посвящена влиянию технологического процесса изготовления на эксплуатационные характеристики изделий. Проведён анализ объекта исследования. Приведены описания экспериментальной установки, методика эксперимента, испытание на растяжение, на изгиб, на ударную вязкость и проведён контроль крутки лонжерона. Описаны результаты экспериментальных исследований, на основе экспериментальных данных
8
исследованы на надежность, долговечность и выявлены влияния погрешно-стсй управления на эксплуатационные характеристики изделий. Показано, что скорость нагрева и охлаждения материала должна быть равна около 2 °С/мин.
Третья глава посвящена разработке алгоритмов и программ управления режимами теплофизических процессов. Анализируются теплофизические явления, происходящие при полимеризации. Основными параметрами, описывающими эти явления, служат температура, время, скорости нагрева и охлаждения, давление. В связи с этим представлены результаты зависимостей физико-механических свойств композиционных материалов ( предела прочности при сдвиге и растяжении, тангенса угла диэлектрических потерь) от давления, а также остаточных напряжений от температуры.
Описаны алгоритм и структурная схема оптимального управления режимом технологическогопроцесса.
Для оптимизации технологического процесса полимеризации в-системе автоматического регулирования разработан новый многопозиционный регулятор температуры, который позволяет управлять этим процессом по программе, а также подключать персональный компьютер. При этом в пределах каждого слоя композиционного материала необходимо обеспечить градиент температуры около 2 °С.
Приведена функциональная схема и алгоритм оптимального управления процессом полимеризации.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и моделирования теплофизических процессов изготовления изделий из композиционных материалов методом полимеризации. Описана экспериментальная установка и метод управления полимеризацией. Результаты исследований анализируются методом передаточных функций. Показана взаимосвязь узлов установки и теплофизических параметров, характеризующих технологию изготовления изделий из композиционных материалов методом полимеризации.
Результаты данной работы могут быть применены при расчётах температурных полей в многослойных конструкциях, изготавливаемых методом полимеризации, при исследовании влияния технологического процесса изготовления изделий методом полимеризации на их эксплуатационные характеристики, при разработке автоматизированных систем управления процессом полимеризации, а также при исследовании готовых изделий на надёжность и долговечность.
Работа выполнялась на кафедре общей физики Башкирского государственного педагогического университета в течение 2003 — 2009 гг. Промышленный эксперимент проводился с участием профессора Тюкова Н.И., доцента Якупова Э.З., главного инженера завода Кум. АГ111 Неганова И.И. и начальника цеха №17 Гайнуллина P.C., главного энергетика Ольхова A.A., за помощь в работе которым автор приносит глубокую благодарность.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы - 122 наименований, трех приложений, содержит 183 страницы машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 38 рисунков.
10
1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
1.1. Структура и свойства композиционных материалов
Знакомство со свойствами многих материалов в окружающем нас мире позволяет говорить об их необычности. Если металлы со свойственной им высокой прочностью и пластичностью, или бетон с его высокой жесткостью и хрупкостью, или пластики с их низкой прочностью и податливостью являются для нас привычными материалами, то имеется значительная группа материалов, поражающая необычным сочетанием свойств разнородных материалов. Так, всем хорошо известный железобетон позволяет сооружать конструкции, выдерживающие большие изгибающие нагрузки (пролеты мостов,
♦
балки, оболочки), которые категорически противопоказаны исходному бетону, - он растрескивается при достаточно небольших изгибающих нагрузках.
Если сравнить прочность двух стержней одинакового сечения из древесины и бамбука, то можно убедиться, что бамбук приблизительно в два раза более прочен и гибок. В течение длительного времени эти его особенности использовали при изготовлении шестов для прыжков, для изготовления корабельных мачт и т.д. Необыкновенным сочетанием прочности, жесткости и легкости характеризуются кости животных и человека. Особенно высоки характеристики трубчатых костей птиц, имеющих минимальный вес. Изготовленные из любого из известных материалов подобные изделия имели бы несравненно большую массу. Наконец, изверженная вулканическая лава, обладая химическим составом достаточно хорошо известных горных пород, характеризуется очень низкой плотностью (даже менее единицы) в сочетании с достаточной прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами, предопределяющими возможность применения, например, в строительстве. Такие материалы, сочетающие в себе свойства, присущие порознь
11
* ’
нескольким материалам, называются обычно композиционными материалами (КМ)/1-5, 9, 10/.
История использования человеком композиционных материалов насчитывает много веков, а представление о композиционных материалах заимствовано человеком у природы. Уже на ранних стадиях развития цивилизации человек использовал для строительства кирпич из глины, в которую замешивалась солома, придававшая повышенную прочность. Использование природных битумов позволило повысить водостойкость природных материалов и изготавливать суда из камыша, пропитанного битумом. Прослеживается определенная аналогия между мумификацией умерших с последующей обмоткой тела в виде кокона из полос ткани и современными технологиями обмотки корпусов ракет, между изготовлением боевых луков у кочевников с использованием нескольких слоев из дерева, рога, шелка, скрепляемых с помощью клея, и современными металло-дерево-тканевыми слоистыми конструкциями, соединяемыми отверждающимися смолами. Одним из наиболее ярких примеров такого рода является материал фиберглас из стеклянных волокон, скрепленных полимерным связующим, структура которого повторяет структуру бамбука, где непрерывные волокна из целлюлозы находятся в более пластичной матрице с низким модулем.
Приведенные примеры позволяют выделить то общее, что объединяет композиционные материалы независимо от их происхождения, а именно все эти материалы являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (связующее, матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель, арматура), и при этом композиции имеют свойства, которых не имеют отдельные составляющие /12/.
Ясно, что в качестве, как первого, так и второго компонента могут выступать самые разнообразные по природе и происхождению материалы. Известны композиты на базе металлов, керамики, стекол, углерода, пластиков и других материалов. В широком смысле слова практически всякий
12
современный материал представляет собой композицию, поскольку все материалы чрезвычайно редко применяются в чистейшем виде. Это создает определенные сложности с точки зрения использования термина - он распространяется зачастую механически на все сложные системы, содержащие несколько компонентов. Следует подчеркнуть, что наука о композиционных материалах (раздел материаловедения) зародилась недавно, на рубеже 60-х годов, и разрабатывалась главным образом для решения проблемы улучшения механических характеристик и жаростойкости. В последние годы в связи с расширением комплекса свойств, реализуемых с помощью полимерных композиционных материалов, значительно расширились исследования по созданию антифрикционных композиционных материалов медицинского и биологического назначения, газонаполненных композиционных материалов, теплог и электропроводных КМ, негорючих КМ и др.
В этой связи уместно сказать, что современное определение композиционных материалов предполагает выполнение следующих условий /2/:
. 1. Композиция должна представлять собой сочетание хотя бы.двух раз- • нородных материалов с четкой границей раздела между фазами.
2. Компоненты композиции образуют ее своим объемным сочетанием.
3. Композиция должна обладать свойствами, которых нет ни у одного из ее компонентов в отдельности.
Существующие композиционные материалг,I можно разделить на три основных класса, отличающиеся микроструктурой: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокном /6, 7, 9/. Все эти материалы представляют собой матрицу из какого-либо вещества или сплава, в которой распределена вторая фаза - обычно более жесткая, чем матрица, которая служит для улучшения того или иного свойства. В основе разделения трех упомянутых классов композиционных материалов лежат особенности их структуры. Для дисперсно-упрочненных композиций характерной является микроструктура, когда в матрице равномерно распределены мельчайшие частицы размером от 0,01 до 0,1 мкм в количестве от 1 до 15 об.%.
В композициях, упрочненных частицами, размер последних превышает 1 мкм, а содержание - 20-25 об.%. Для структуры армированно-упрочненных композитов характерны значительная анизодиамстричность армирующих волокон - их диаметр колеблется от долей микрона до десятков микрон, а длина - от микрон до непрерывных волокон практически неограниченной длины при содержании от нескольких процентов до 70-80 об.%. В последние годы появился еще один класс композиционных материалов - так называемые нанокомпозиты, структура которых характеризуется включением второй фазы с размерами в несколько нанометров, содержание которой тоже достаточно невелико.
Существенное повышение некоторых характеристик, которое является важнейшим преимуществом композиционных материалов, на практике привело в настоящее время к относительно широкому применению лишь двух групп материалов на их основе: высокопрочных и жаростойких. Коснемся их-немного подробнее.
Природа упрочняющего эффекта в КМ связана с использованием двух материалов с различными прочностью и модулем. Если говорить об упрочняющей роли компонентов КМ, то в общем виде этот эффект следует связать с появлением в материале поверхности раздела фаз и пограничных слоев, примыкающих к ней. Именно более высокие характеристики материала пограничных слоев обеспечивают рост прочностных показателей материала, и именно по этой причине в дисперсно-упрочненных композитах стремятся к использованию тонкодисперсных жестких компонентов, распределенных в более пластичной матрице. В композициях, упрочненных частицами, их содержание достигает больших значений - 40-50% и более. В такой системе реализация наиболее высоких показателей достигается при условии хорошего контакта (смачивания) на поверхности раздела. Вместе с тем возможность химического взаимодействия на поверхности и в пограничном слое, особенно в условиях эксплуатации, нежелательна, так как это может привести к утрате упрочняющего эффекта.
14
Для достижения максимального упрочняющего эффекта более прочный компонент должен играть роль усиливающей, упрочняющей структуры. Для этого необходимо, чтобы упрочняющие элементы имели достаточную длину, в этом случае прочность сцепления с матрицей достаточно велика, чтобы они могли выполнить свою основную роль арматуры. Совершенно естественно, что в этом случае наиболее выгодной формой использования армирующей фазы является тонкое волокно: известно, что с уменьшением толщины волокон их прочность заметно возрастает.
Как и в случае дисперсно-упрочненных систем, в волокноармированных композитах наиболее высокие прочностные характеристики реализуются при высоком содержании армирующих волокон - 65-70% и более. Теорегически на примере полимерных композиционных материалов было показано, что максимальное содержание армирующей фазы составляет около 88-90 об.%. Однако применение непрерывных волокон неограниченной длины далеко не всегда возможно с точки зрения технологической -слишком много ответственных изделий из-за особенностей геометрии не может быть изготовлено из непрерывных волокон, да и не из всех видов мате-риалов удается изготовить непрерывные волокна достаточно большой длины. Было показано, что существует определенная критическая длина волокна, ниже которой упрочняющий эффект падает. Эта длина зависит от модулей и прочности матрицы и волокна, величины адгезии на поверхности и приблизительно в 20 раз больше диаметра волокна. Экспериментальная проверка расчетов осложнена невозможностью получения материала с одинаковой длиной волокон и их строгой ориентацией из-за разрушения волокон в процессе изготовления образцов.
Другое важнейшее направление практического использования КМ - повышение жаропрочности, то есть способности сохранять высокий уровень механических характеристик при повышенных температурах. В этом случае основная опасность, определяющая возможность применения монолитных материалов, - разупрочнение при температурах, значительно уступающих
15
абсолютным температурам плавления (для металлов), или размягчение при температурах, также существенно меньших температуры плавления. Все материалы такого рода могут быть упрочнены волокнами, однако для этого пригодны лишь такие виды волокон, температура плавления которых значительно выше температуры плавления матрицы. Однако и в этом случае далеко не всегда можно использовать комбинацию волокно-матрица. Для всех такого рода материалов необходимо учитывать способность к химическому взаимодействию при высоких температурах, величину деформации при разрушении каждого из компонентов, а также величину времени до разрушения или величину относительного удлинения при разрушении каждого из компонентов в процессе жаропрочных испытаний под нагрузкой.
Следует подчеркнуть, что для жаропрочных материалов в качестве волокон наибольший интерес представляют собой нитевидные кристаллы различного состава и поликристаллические керамические волокна. Наряду с ними широкое применение находят также металлические волокна (проволоки) из.сплавов.и благородных металлов.
Создание композиционных материалов, армированных нитевидными монокристаллами ("усами"), затруднено необходимостью создания условий для равномерного распределения этих тончайших и весьма хрупких волокон в матрице из металла или керамики. При этом нитевидные волокна должны укладываться определенным образом, чтобы не создавались препятствия для реализации прочности каждого из них.
В работе /13/ на основе анализа литературных данных рассматриваются особенности структуры и физико-механических свойств композитов, включающих углеродные волокна или частицы и полимерное связующее (углепластики, усиленные резины). Обсуждаются методы физико-химической модификации поверхности углеволокна и полимерных связующих с целью регулирования технологических и улучшения механических и прочностных свойств композиционных материалов.
- Київ+380960830922