diff --git a/bibliography.bib b/bibliography.bib index 69d7e9e..00bbd21 100644 --- a/bibliography.bib +++ b/bibliography.bib @@ -51,6 +51,17 @@ Language = {russian} } +@BOOK{bib:sidorenko, + Author = {Сидоренко~Ю.~Н.}, + Title = {Конструкционные и функциональные волокнистые композиционный +материалы. Учебное пособие.}, + Publisher = {Изд.-во ТГУ}, + Address = {Томск}, + Year = {2006}, + Pages = {107}, + Language = {russian} +} + @ARTICLE{bib:dedkov1, Author = {Дедков~Д.~В. and Зайцев~А.~В. and Ташкинов~А.~А. }, Title = {Концентрация напряжений в слое тканого композита с закрытыми внутренними технологическими порами}, diff --git a/c1.tex b/c1.tex index 99326cb..5dd23ca 100644 --- a/c1.tex +++ b/c1.tex @@ -1,19 +1,20 @@ -\chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых УУКМ от -наличия локальных концентраторов напряжений} +\chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых композитов с +поликристаллической матрицей от наличия локальных концентраторов напряжений} -\section{Технологические операции изготовления конструкций из тканых УУКМ, -приводящие к появлению локальных концентраторов напряжений} +\section{Технологические операции изготовления конструкций из тканых +композиционных материалов, приводящие к появлению локальных концентраторов +напряжений} -\subsection{Описание технологического процесса изготовления -углеродных волокон} +\subsection{Описание технологического процесса изготовления волокон} -Углеродные волокна обладают уникальными механическими и физическими свойствами -по раду показателей: высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и -температурного расширения, высокая стойкость к атмосферным воздействиям и -химическим реагентам. Исходными материалами для получения углеродных волокон -являются химические волокна и углеродные пеки. +Волокна, используемые в тканых композитах с поликристаллической матрицей +обладают уникальными механическими и физическими свойствами по раду показателей: +высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и температурного расширения, +высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам. Исходными +материалами для получения таких волокон являются химические волокна и +углеродные пеки. -Технологический процесс получения углеродных волокон включает в себя стадии +Технологический процесс получения волокон включает в себя стадии текстильной подготовки материала, окисления, карбонизации и графитизации. Во время текстильной подготовки из целлюлозного материала удаляется влага, @@ -34,7 +35,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают средах нейтральных газов азота или аргона, которые предотвращают воздействие на целлюлозу кислорода из воздуха. -При графитизации углеродные влокна подвергаются высокотемпературной обработке. +При графитизации влокна подвергаются высокотемпературной обработке. Начальная температура графитизации определяется конечной температурой карбонизации, а конечная находится в пределах $2600\dots2800^\circ\mathrm{C}$. В процессе графитизации происходит насыщение волокон углеродом до содержания не @@ -43,7 +44,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают Наряду с гидратцеллюлозным волокном в качестве сырья для получения углеродных материалов используют ПАН-волокно. Из него изготавливают высокопрочные, -высокомодульные углеродные волокна. Одним из преимуществ ПАН-волокна является +высокомодульные волокна. Одним из преимуществ ПАН-волокна является высокое содержание углерода --- около $40\%$ от массы полимера. Стадии процесса получения углеродных волокнистых материалов из ПАН-волокна и вискозного сырья аналогичны. @@ -53,11 +54,15 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают волокон из пеков включает в себя следующие стадии: приготовление пека, формование волокна, карбонизацию и графитизацию. -Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов -условно могут быть разделены на две группы: высокомодульные ($E_1^+ = 300\dots -700$~ГПа, $\sigma_1^- = 2\dots 2.5$~ГПа) и высокопрочные ($E_1^- = 200\dots -250$~ГПа, $\sigma_1^+ = 2.5\dots 3.2$~ГПа) -\cite{bib:bulanov, bib:sokolkin}. +Волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов условно могут +быть разделены на две группы: + +\begin{itemize} + \item высокомодульные --- $E_1^+ = 300\dots700$~ГПа, $\sigma_1^- = 2\dots +2.5$~ГПа; + \item высокопрочные --- $E_1^- = 200\dots 250$~ГПа, $\sigma_1^+ = 2.5\dots +3.2$~ГПа \cite{bib:bulanov, bib:sokolkin}. +\end{itemize} \subsection{Изготовление тканей} @@ -113,7 +118,123 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают \subsection{Матричные материалы} +Роль матрицы в армированном композите заключается в придании изделию +необходимой формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое +армирующий наполнитель, матрица позволяет композиции воспринимать различного +рода внешние нагрузки, такие как растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и кручение. +Также матрица принимает участие в создании несущей способности композита, +обеспечивая передачу усилий на волокна. + +К матрицам предъявляют ряд требований, которые можно разделить на +эксплуатационные и технологические. К первым относятся требования, +обусловленные механическими и физикохимическими свойствами материала матрицы, +которые обеспечивают работоспособность композиции при действии различных +эксплуатационных факторов: + +\begin{itemize} + \item механические свойства матрицы должны обеспечивать эффективную работу +волокон при различных видах нагрузок; + \item природа матрицы определяет уровень рабочих температур композита, +характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов. +\end{itemize} + +Технологические требования определяются осуществляемыми одновременно процессами +получения композита и изделия из него. Эти процессы включают совмещение +армирующих волокон с матрицей и окончательное формование изделия. + +Исходными материалами для получение поликристаллической матрицы могут быть +органические смолы с высоким коксовым числом и пеки. При этом важно, чтобы +исходные материалы обладали высоким содержанием ароматических углеводородов, +высокой молекулярной массой, а также развитыми поперечными химическими связями. + +В зависимости от фазового состояния исходных материалов различают следующие +способы уплотнения матрицы: + +\begin{itemize} + \item с использованием газообразных углеводородов (природный газ, метан, +пропан-бутан, бензол и т.п.); + \item с использованием жидких углеводородов с большим выходом кокса (пеки, +смолы); + \item комбинированный, включающий в себя пропитку пористых каркасов жидкими +углевдородами, карбонизацию и уплотнение из газовой фазы \cite{bib:sokolkin}. +\end{itemize} + +При выборе материала матрицы и технологии уплотнения необходимо учитывать +следующие факторы: + +\begin{itemize} + \item размер и форма каркаса; + \item тип нитей, определяющий такие их параметры, как характеристики +смачивания и сцепления, зависимость свойств нити от температуры и др.; + \item геометрия и схема переплетения нитей, определяющие размеры пор, их +распределение в объеме и степень связанности (открытости); + \item объемное содержание волокон в ткани; + \item тип ткани (сухая или предварительно пропитанная, частично отвержденная). +\end{itemize} + +Процесс уплотнения каркаса и материал матрицы должны соответствовать типу +каркаса и обеспечивать требуемые свойства конечного изделия +\cite{bib:sidorenko}. + +\subsection{Уплотнение каркаса поликристаллической матрицей} + +Вид уплотнения тканого композита с поликристаллической матрицей определяется +исходным материалом. Выделяют методы пропитки жидкостью и осаждение из газовой +фазы. + +Для пропитки жидкостью применяют термореактивные смолы и пеки. Смолы отличаются +хорошей пропитывающей способностью и легко доступны. При пиролизе эти смолы +образуют стекловидную поликристаллическую матрицу, которая графитизируется при +температуре около $3000^\circ\mathrm{C}$. Выход кокса составляет $50-56\%$ по +массе. Процедура пиролиза представляет собой нагрев каркаса, пропитанного +смолой, до температур порядка $400\dots 600^\circ\mathrm{C}$. Процесс пироиза +также называют карбонизацией. При карбонизации происходит усадка матрицы, +которая достигает $20\%$ и может привести к разрушению каркаса. + +Пеки являются термопластичными материалами. При продолжительном выдерживании +температуры около $400^\circ\mathrm{C}$ в пеках идет образование +высокориентированной фазы, которая при температуре $2500^\circ\mathrm{C}$ +переходит в графитовуюструктуру. Выход кокса составляет $50-90\%$. + +Пропитка ткани поликристаллической матрицей может проходить под низким или +высоким давлением. Пропитка под низким давлением с последующей +карбонизацией наиболее распространена. Она проводится при атмосферном или +пониженном давлении, чаще всего в несколько циклов для снижения пористости. При +карбонизации изделие нагревают с заданной скоростью до температуры +$650\dots1100^\circ\mathrm{C}$, после чего охлаждают. Процесс карбонизации +обычно длится около $100$ часов. Графитизация проводится при температуре +$2600\dots2750^\circ\mathrm{C}$ в течении $30$ часов. Для получения максимально +плотного композита цикл <<пропитка --- карбонизация>> проводится несколько раз, +графитизация же выполняется только один раз --- в конце последнего цикла. + +Пропитку под высоким давлением применяют для повышения выхода кокса. Процедура +практически совпадает с методом пропитки под низким давлением, за исключением +того, что каркас помещается в тонкостенный металический контейнер, куда по +давлением подается горячий пек. После того как контейнер заполнен он +закрывается и выдерживается в автоклаве около суток по давлением +$6\dots100$~МПа при температуре $550\dots 650^\circ\mathrm{C}$. Процесс +пропитки и карбонизации может повторяться несколько раз, после чего изделие +удаляется из контейнера и подвергается графитизации. Пропитка под давлением +позволяет получить более плотный композит, кроме того высокое давление +предотвращает выдавливание расплавленного пека из пор газообразными продуктами +пироиза в процессе карбонизации. + +При осаждении поликристаллической матрицы из газовой фазы каркас помещают в +печь, в которой он нагревается. Во внутренний объем каркаса подается +газообразный углеводород, из которого при прохождении сквозь поры каркаса на +поверхность волокон осаждается углерод. Процесс осаждения повторяется несколько +раз, при этом присутствует необходимость между циклами счищать углеродную +корку, образующуюся на поверхности каркаса для вскрытия пор. + +Для осаждения из газовой фазы характерна проблема, которая заключается в том, +что в процессе осаждения закупориваются малые поры и узкие проходы между +крупными порами, что приводит к появлению замкнутых пространств внутри каркаса. + +В некоторых случаях методы пропитки жидкостью и осаждение из газовой фазы +используются по очереди в рамках единого технологического цикла. + \section{Экспериментальные закономерности влияния локальных концентраторов -напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых УУКМ} +напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых композитов с +поликристаллической матрицей} \section{Выводы к первой главе} \ No newline at end of file diff --git a/c2.tex b/c2.tex index 88f1635..39ef74f 100644 --- a/c2.tex +++ b/c2.tex @@ -1,7 +1,8 @@ \chapter{Локальные поля напряжений и деформаций в представительных объемах -тканого УУКМ} +тканого композита с поликристаллической матрицей} -\section{Математическая модель упруго-хрупкого поведения тканого УУКМ} +\section{Математическая модель упруго-хрупкого поведения тканого композита с +поликристаллической матрицей} Рассмотрим слой тканого композита с армирующим каркасом полотняного переплетения образованного волокнами круглого поперечного сечения @@ -197,7 +198,7 @@ f | \sigma_{nn} {\bf (r)} | \right ] |_{\Gamma_9^{-}}, \quad \label{eq:kov:b_cond_free} \end{equation} -\section{Модели тканого УУКМ с периодическим и квазипериодическим расположением -волокон} +\section{Модели тканого композита с поликристаллической матрицей с периодическим +и квазипериодическим расположением волокон} \section{Выводы ко второй главе} \ No newline at end of file diff --git a/c3.tex b/c3.tex index fd2c82c..6b51b0d 100644 --- a/c3.tex +++ b/c3.tex @@ -1,8 +1,9 @@ -\chapter{Влияние локальных полей напряжений на прочностные свойства тканых УУКМ -с учётом трения между волокнами} +\chapter{Влияние локальных полей напряжений на прочностные свойства тканых +композитов с поикристаллической матрицей с учётом трения между волокнами} -\section{Математическая модель упруго-хрупкого поведения слоят тканого УУКМ при - наличии контакта с трением между волокнами} +\section{Математическая модель упруго-хрупкого поведения слоят тканого +композита с поликристаллической матрицей при наличии контакта с трением между +волокнами} Краевая задача \eqref{eq:kov:Eqvilibrium}--\eqref{eq:kov:Guck} с граничными условиями \eqref{eq:kov:b_cond}---\eqref{eq:kov:b_cond_free} diff --git a/common.tex b/common.tex index 65f6a9b..3405cf3 100644 --- a/common.tex +++ b/common.tex @@ -2,7 +2,7 @@ \institution{Пермский национальный исследовательский политехнический университет} \topic{Влияние концентраторов напряжений на прочностные и деформационные -свойства тканых УУКМ} +свойства тканых композитов с поликристаллической матрицей} \author{Д.~В.~Дедков}